ES2574608T3

ES2574608T3 - Mejoras en o relacionadas con la formación de imágenes hiperespectrales

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Publication number: ES2574608T3
Application number: ES14701529.1T
Authority: ES
Inventors: Didier Beghuin
Original assignee: Lambda X
Current assignee: Lambda X
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2016-06-21
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: EP2948745B1; IL239814B; JP2016508600A; US9671287B2; EP2948745A1; WO2014114768A1; US20150355027A1; JP6188823B2; IL239814A0

Abstract

Un método de realización de una formación de imágenes hiperespectrales, comprendiendo el método las etapas de: a) recibir una radiación polarizada (400, 450; 600; 700; 800) en un primer prisma de Wollaston (310; 520) situado en una primera posición; b) separar la radiación polarizada (400, 450; 600; 700; 800) en dos componentes polarizadas ortogonalmente (410, 420; 610, 620; 710, 720; 810, 820) utilizando el primer prisma de Wollaston (310; 520); c) dirigir las dos componentes polarizadas ortogonalmente (410, 420; 610, 620; 710, 720: 810, 820) hacia una segunda posición utilizando una óptica de relé, formándose en la segunda posición la imagen del primer prisma de Wollaston (310; 520) situado en la primera posición; d) recombinar las dos componentes polarizadas ortogonalmente (410, 420; 610, 620; 710, 720; 810, 820) en una radiación polarizada recombinada (480; 600'; 700'; 800') en la segunda posición; e) proyectar la radiación polarizada recombinada (480; 600'; 700'; 800') en un solo estado de polarización usando al menos un polarizador; y f) modular la radiación polarizada recombinada (480; 600'; 700'; 800') para que interfiera en el plano (370; 560) de formación de imágenes; caracterizado por que la etapa f) comprende trasladar el primer prisma de Wollaston (310; 520) en una dirección paralela a su plano de división virtual para modular la radiación polarizada recombinada (480; 600'; 700'; 800').

Description

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DESCRIPCION

Mejoras en o relacionadas con la formacion de imagenes hiperespectrales Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a mejoras en o relacionadas con la formacion de imagenes hiperespectrales y se refiere mas particularmente, aunque no exclusivamente, a sistemas de formacion de imagenes hiperespectrales por transformadas de Fourier.

Antecedentes de la invencion

La formacion de imagenes espectrales proporciona informacion tridimensional sobre un sujeto, dedicandose dos dimensiones a las dos dimensiones espaciales de la imagen y comprendiendo la tercera dimension la informacion espectral. La formacion de imagenes hiperespectrales es un termino dedicada a la formacion de imagenes espectrales en donde la dimension espectral se resuelve mejor que con las tecnicas basadas en filtro habituales, con tfpicamente un alto numero de bandas espectrales (100 bandas o mas en el dominio visible) y una resolucion fina (10 nm o menos en el dominio visible).

La formacion de imagenes espectrales se puede realizar de diferentes maneras, incluyendo la utilizacion de tecnologfa basada en transformadas de Fourier. La formacion de imagenes espectrales por transformadas de Fourier requiere la adquisicion interferogramas. Una pluralidad de configuraciones interferometricas ffsicas es adecuada para el proposito de la adquisicion de interferogramas incluyendo la interferometna de Michelson que tiende a utilizarse principalmente para longitudes de onda en la region infrarroja. Ademas, tambien se pueden utilizar interferometros de Mach Zender, de Sagnac y de polarizacion.

El documento US-A-5781293 describe un espectrometro de transformadas de Fourier en el que se utilizan prismas birrefringentes para introducir la diferencia de trayectoria entre dos polarizaciones de luz y una transformada de Fourier del interferograma resultante en un detector proporciona la distribucion espectral de la luz incidente.

En un artfculo de A. R. Harvey y D. W. Fletcher-Holmes, titulado "Espectrometro birrefringente de formacion de imagenes por transformadas de Fourier", Optics Express, volumen 12(22), pagina 5368, 2004, se revela un espectrometro de formacion de imagenes por transformadas de Fourier que comprende un interferometro birrefringente que utiliza un par adaptado de prismas de Wollaston, produciendose el interferograma por el movimiento de un elemento en el interferometro. Se conocen por los documentos DE 10 2008 009 044 A1 y EP 1 598 647 A1 otros dispositivos adicionales que usan prismas de Wollaston.

Un prisma de Wollaston es una de las posibles configuraciones de un conjunto de elementos birrefringentes para separar la radiacion polarizada en dos componentes polarizadas ortogonalmente.

Aunque estas configuraciones pueden ser extremadamente compactas, dado que proporcionan interferometros de tipo de trayectoria comun sin tener que utilizar elementos adicionales de division de haz, estos tienden a tener desventajas. Una desventaja es economica debido a la complejidad de fabricacion de prismas de Wollaston pareados. El primer prisma de Wollaston divide la radiacion incidente en dos componentes de polarizacion en diferentes direcciones y el segundo prisma de Wollaston redirige las dos componentes de polarizacion de manera que sean paralelos. Para que esta configuracion funcione adecuadamente, los dos prismas de Wollaston deben estar pareados y bien alineados. El pareado de los prismas de Wollaston se lleva a cabo durante la produccion garantizando que el angulo de cuna o division del primer prisma de Wollaston es igual al angulo de cuna o division del segundo prisma de Wollaston.

Otra desventaja se refiere a la dependencia frente al campo de la diferencia de longitud de trayectoria optica y, en particular, a la dependencia frente al campo de la relacion entre la diferencia de longitud de trayectoria optica y la traslacion del segundo prisma de Wollaston. Para sistemas de formacion de imagenes en los que el campo de vision no se limita a un unico punto, los rayos principales de varios puntos de campo aparecen con diferentes angulos de incidencia sobre el prisma de Wollaston, y la diferencia de longitud de trayectoria optica depende tambien asf del angulo de incidencia. La recuperacion del espectro para los diferentes puntos de campo debe entonces tenerse en cuenta esta dependencia frente al campo de la relacion entre la diferencia de longitud de trayectoria optica y la traslacion del prisma. Para mediciones espectrales precisas, no se puede aplicar el mismo procesamiento de senal a todos los puntos del campo y, por lo tanto, el procesamiento de senal es mas complejo.

Ademas, la formacion de imagenes hiperespectrales por transformadas de Fourier puede llevar mucho tiempo si se necesita realizar y procesar muchas mediciones. Estas mediciones tambien pueden resultar perturbadas por el movimiento del aire.

Sumario de la invencion

Por tanto, es un objeto de la presente invencion proporcionar un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales que al menos reduzca las desventajas descritas anteriormente.

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Es otro objeto de la presente invencion proporcionar un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales con un tiempo de adquisicion sustancialmente reducido que tenga menos componentes y que no requiera el pareado y la adaptacion de prismas birrefringentes.

Segun un primer aspecto de la presente invencion, se proporciona un metodo para realizar una formacion de imagenes hiperespectrales, comprendiendo el metodo las etapas de:

a) recibir una radiacion polarizada en un primer prisma de Wollaston situado en una primera posicion;

b) separar la radiacion polarizada en dos componentes polarizadas ortogonalmente utilizando el primer prisma de Wollaston;

c) dirigir las dos componentes polarizadas ortogonalmente hacia una segunda posicion usando una optica de rele, formandose la imagen del primer prisma de Wollaston situado en la primera posicion en la segunda posicion;

d) recombinar las dos componentes polarizadas ortogonalmente en una radiacion polarizada recombinada en la segunda posicion;

e) proyectar la radiacion polarizada recombinada en un solo estado de polarizacion utilizando al menos un polarizador; y

f) modular la radiacion polarizada recombinada para que interfiera en el plano de formacion de imagenes;

caracterizado por que la etapa f) comprende la traslacion del primer prisma de Wollaston en una direccion paralela a su plano de division virtual para modular la radiacion polarizada recombinada.

Formando en la segunda posicion la imagen del primer prisma de Wollaston situado en la primera posicion, es posible reducir el coste de fabricacion de prismas de Wollaston, dado que, si se utilizan dos de tales prismas en una realizacion, estos prismas ya no necesitan parearse. En este caso, un sistema optico utilizado para formar en la segunda posicion la imagen del prisma birrefringente situado en la primera posicion compensa las diferencias entre los prismas ajustando el aumento de la imagen.

En una realizacion preferida, solo se requiere un prisma de Wollaston que se reproduce como imagen sobre sf mismo, eliminando de este modo la necesidad de dos prismas de Wollaston. Esto reduce los costes de fabricacion aun mas, dado que solo se requiere un prisma de Wollaston.

El termino "plano de division virtual", tal como se utiliza aqrn, se refiere a un plano dentro del prisma de Wollaston (o cualquier prisma birrefringente) en el cual parecen originarse las dos componentes polarizadas ortogonalmente o en el que parecen recombinarse las dos componentes polarizadas ortogonalmente.

En una realizacion, la etapa c) comprende formar la imagen del plano de division virtual del primer prisma de Wollaston sobre sf mismo. Esto garantiza que la imagen del plano de division virtual del primer prisma de Wollaston coincida consigo misma utilizando la optica de rele. Ademas, la etapa d) comprende la utilizacion del primer prisma de Wollaston para recombinar las dos componentes polarizadas ortogonalmente.

En otra realizacion, la etapa c) comprende la formacion de la imagen del primer prisma de Wollaston sobre un segundo prisma de Wollaston situado en la segunda posicion, invirtiendose el plano de division virtual en el segundo prisma de Wollaston. En esta realizacion, el segundo prisma de Wollaston esta orientado y colocado de tal manera que su plano de division virtual coincida con la imagen del plano de division virtual del primer prisma de Wollaston. Ademas, la etapa d) comprende usar el segundo prisma de Wollaston situado en la segunda posicion para recombinar las dos componentes polarizadas ortogonalmente. En esta realizacion, la etapa f) puede comprender la traslacion de uno de los prismas de Wollaston primero y segundo en una direccion paralela a su respectivo plano de division virtual para modular la radiacion polarizada.

Segun otro aspecto de la presente invencion, se proporciona un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales para la realizacion de una formacion de imagenes hiperespectrales, comprendiendo el sistema:

un primer prisma de Wollaston situado en una primera posicion para separar una radiacion polarizada en dos componentes polarizadas ortogonalmente;

un sistema optico para dirigir las dos componentes polarizadas ortogonalmente hacia una segunda posicion y para formar la imagen del primer prisma de Wollaston en la segunda posicion;

medios de recombinacion para recombinar las dos componentes polarizadas ortogonalmente en una radiacion polarizada recombinada en la segunda posicion, incluyendo los medios de recombinacion al menos un polarizador;

un detector de formacion de imagenes que tiene un plano de formacion de imagenes; y

una lente de formacion de imagenes para enfocar la radiacion polarizada recombinada sobre el plano de formacion

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de imagenes del detector de formacion de imagenes;

caracterizado por que el sistema de formacion de imagenes hiperespectrales comprende ademas unos medios de traslacion para trasladar al menos el primer prisma de Wollaston en una direccion paralela a su plano de division virtual.

Al trasladar el primer prisma de Wollaston en una direccion paralela a su plano de division virtual, se reduce al menos sustancialmente la cizalladura lateral producido en las dos componentes polarizadas ortogonalmente por el primer prisma de Wollaston y, para al menos algunos angulos de incidencia, la diferencia de longitud de trayectoria optica es sustancialmente la misma para todos los puntos en el campo del objeto y se elimina sustancialmente la cizalladura lateral. Esto da como resulto un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales que es sustancialmente independiente del angulo de incidencia y, por lo tanto, se simplifica mucho el procesamiento.

En una realizacion, la distancia entre las posiciones primera y segunda es cero y el sistema optico incluye al menos una lente y un elemento de reflexion para reflejar la radiacion de vuelta a traves del sistema optico de modo que el primer prisma de Wollaston reproduzca como imagen sobre sf mismo. El elemento de reflexion puede ser un espejo plano.

Usando al menos una lente y un espejo plano, se garantiza la colimacion de los dos haces polarizados ortogonalmente. Ademas, se proporciona un plano de division virtual dentro del prisma de Wollaston, que puede ser reproducido como imagen sobre sf mismo, eliminando asf la necesidad de mas de un prisma de Wollaston.

Adicionalmente, se proporciona un divisor de haz para transmitir la radiacion incidente al primer prisma de Wollaston y para reflejar la radiacion hacia el detector de formacion de imagenes. En una realizacion, el divisor de haz es un divisor de haz polarizante. En una realizacion alternativa, al menos un polarizador puede estar asociado con el divisor de haz para polarizar la radiacion incidente.

En otra realizacion, un segundo prisma de Wollaston se encuentra situado en la segunda posicion entre el sistema optico y el detector de formacion de imagenes, formando el sistema optico la imagen del primer prisma de Wollaston sobre el segundo prisma de Wollaston.

Esto tiene la ventaja de que los dos prismas de Wollaston no necesitan adaptarse debido a la formacion de imagen de un prisma de Wollaston sobre el otro.

Se apreciara que cuando se forma la imagen del primer prisma de Wollaston sobre el segundo prisma de Wollaston, uno u otro de los prismas de Wollaston se puede trasladar en una direccion paralela a su plano de division virtual. En una realizacion preferida, los medios de traslacion estan asociados con el segundo prisma de Wollaston. Sin embargo, esto dependera de la disposicion particular del sistema de formacion imagenes hiperespectrales.

En esta realizacion, se proporcionan unos polarizadores primero y segundo que estan asociados con los respectivos de los prismas de Wollaston primero y segundo.

Breve descripcion de los dibujos

Para una mejor comprension de la presente invencion, se hara ahora referencia, a modo de ejemplo solamente, a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 ilustra un interferometro de polarizacion birrefringente convencional utilizado en sistemas de formacion de imagenes por transformadas de Fourier;

La figura 2 ilustra la diferencia dependiente frente al campo en la longitud de trayectoria optica de dos componentes de un rayo incidente producido por una disposicion pareada de prismas de Wollaston;

La figura 3 ilustra una primera realizacion de un sistema de formacion de imagenes segun la presente invencion;

La figura 4 es similar a la figura 3 e ilustra la ausencia de cizalladura en esta configuracion;

La figura 5 ilustra una segunda realizacion de un sistema de formacion de imagenes segun la presente invencion;

La figura 6 es similar a la figura 5, pero ilustra la situacion para rayos principales o rayos incidentes coincidentes con el eje optico;

La figura 7 es similar a la figura 5, pero ilustra la situacion para rayos marginales o rayos incidentes que son paralelos al eje optico, pero no coincidentes con este;

La figura 8 es similar a la figura 5, pero ilustra la situacion para rayos incidentes que estan en angulo con el eje optico;

La figura 9 ilustra un prisma de Wollaston y un plano de division virtual; y

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La figura 10 es similar a la figura 9, pero muestra el calculo del angulo del plano de division virtual.

Descripcion de la invencion

La presente invencion se describira con respecto a realizaciones particulares y con referencia a ciertos dibujos, pero la invencion no se limita a ellos. Los dibujos descritos son solamente esquematicos y no limitativos. En los dibujos, el tamano de algunos de los elementos puede estar exagerado y no dibujado a escala con fines ilustrativos.

Se entendera que los terminos "vertical" y "horizontal" se utilizan en el presente documento para referirse a orientaciones particulares de las figuras y estos terminos no son limitaciones a las realizaciones espedficas descritas en el presente documento.

Ademas, para algunas de las figuras (en particular las figuras 5 a 8), en algunos de los ejes, aunque aparecen en el plano de la figura, existe, en realidad, un angulo de 45° entre el plano de la figura y el eje optico ilustrado.

La figura 1 ilustra un interferometro de polarizacion birrefringente convencional 100 que puede formar parte de un formador de imagenes hiperespectrales por transformadas de Fourier como el que se describe en el artfculo de Harvey y otros discutido anteriormente. El interferometro 100 tiene un eje optico 110 en el que un primer polarizador 120, unos prismas de Wollaston primero y segundo 130, 140, un segundo polarizador 150, una lente 160 de formacion de imagenes y un detector 170 de formacion de imagenes estan dispuestos como se muestra. Los dos prismas de Wollaston 130, 140 tienen unos angulos 0 de plano de division iguales y opuestos con ejes de polarizacion indicados por flechas y drculos, como se muestra.

La luz o radiacion incidente procedente de una escena, indicada por el rayo de entrada 180, se polariza por el primer polarizador 120 en una luz polarizada linealmente a 45° con los ejes opticos de los prismas de Wollaston 130, 140. La luz polarizada linealmente se resuelve por el primer prisma de Wollaston 130 en dos componentes iguales polarizadas ortogonalmente 185, 190 que tienen igual amplitud y que divergen ligeramente al salir del primer prisma de Wollaston 130. La transmision a traves del segundo prisma de Wollaston 140 refracta los dos componentes de manera que estas se propagan colonialmente a traves del segundo polarizador 150, como se indica por los rayos 185', 190', y se recombinan por la lente 160 de formacion de imagenes en una ubicacion comun 195 en el detector 170 de formacion de imagenes, dichas componentes en donde se interfieren. Estos rayos soportan una diferencia de trayectoria optica se introdujo entre las componentes polarizadas ortogonalmente. Esta diferencia de trayectoria es uniforme a traves de la anchura de la abertura y es modulada por la traslacion del segundo prisma de Wollaston 140 con respecto al eje optico 110 en las direcciones indicadas por la flecha “A”, es decir, en una direccion perpendicular a la normal de la cara de entrada del prisma de Wollaston.

Como se muestra, el primer prisma de Wollaston 130 divide la radiacion incidente en las componentes de polarizacion 185, 190 que divergen en dos direcciones diferentes. El segundo prisma de Wollaston 140 hace paralelas de nuevo a las dos componentes de polarizacion 185', 190'. Como se describio anteriormente, los dos prismas de Wollaston 130, 140 deben estar pareados y bien alineados.

Como los polarizadores primero y segundo 120, 150 dejan pasar la radiacion de un tipo de polarizacion espedfica, estos pueden ser utilizados para la transmision o rechazo selectivo en una longitud de onda particular. Por simplicidad, comunmente se considera solamente la luz incidente normalmente a la superficie de entrada del primer prisma de Wollaston 130.

La traslacion del segundo prisma de Wollaston 140 en las direcciones indicadas por la flecha “A” introduce una diferencia de trayectoria variable en el tiempo entre las dos componentes 185', 190', lo que permite que se registre un interferograma en funcion del desplazamiento lateral del segundo prisma de Wollaston 140 con respecto al primer prisma de Wollaston 130.

La diferencia de longitud de trayectoria optica producida por los dos prismas de Wollaston con angulos de division iguales se puede aproximar como

Aopl = 2bh tan0

en donde Aopl es la diferencia de longitud de trayectoria optica para las dos polarizaciones ortogonales, b es la birrefringencia del material, h es el desplazamiento lateral del segundo prisma de Wollaston con respecto al primero y 0 es el angulo de cuna del prisma.

La figura 2 ilustra un rayo de entrada 280 a los prismas de Wollaston 130, 140 de la figura 1. Despues de pasar a traves del primer prisma de Wollaston 130, el rayo 280 se divide en dos rayos polarizados ortogonalmente 285, 290. Despues de pasar a traves del segundo prisma de Wollaston 140, los rayos 285', 290' se hacen paralelos, pero estan separados por una distancia de cizalladura, d. Para rayos que se propagan fuera del eje, esta cizalladura produce una diferencia de longitud de trayectoria optica, Aopl, como se muestra. La distancia de cizalladura, d, se puede calcular a partir de las propiedades de los prismas de Wollaston, es decir, el espesor de cada prisma, los indices de refraccion de los materiales de los que estan hechos, sus angulos de cuna y la separacion de los dos prismas de Wollaston a lo largo del eje optico (no mostrado en la figura 2) del sistema de formacion de imagenes.

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Se apreciara que a medida que aumenta la distancia entre los dos prismas de Wollaston 130, 140 a lo largo del eje optico, la cizalladura lateral entre los dos rayos polarizados 285', 290' tambien aumenta, y esta cizalladura lateral induce la diferencia de longitud de trayectoria optica, que depende del campo y es nula para los rayos que se propagan sobre el eje. Para sistemas en los que esta presente una cizalladura significativa y que tienen un campo significativo de vision de las emisiones de espectro similares, la escena tomada como imagen esta llena de franjas.

Si se posiciona el segundo prisma de Wollaston 140 de tal manera que Aopl sea 0 para el punto de campo central, entonces los puntos de campo extremos en la direccion de la cizalladura tienen una diferencia de longitud de trayectoria optica residual, Aoplresidual, que es de signo opuesto. La adquisicion de interferogramas para el campo completo utilizando una interferometna simetrica respecto de un Aopl igual a cero, necesita que se adquieran varias imagenes adicionales para compensar el doble de la Aoplresidual. Esto conduce a un tiempo de adquisicion adicional innecesario.

Como se describio anteriormente, la relacion Aopl = 2bh tan0 solo es valida en el caso de incidencia normal, y, para otros puntos de campo, debe considerarse la diferencia de longitud de trayectoria optica adicional relacionada con la cizalladura. Para sistemas de formacion de imagenes en los que el campo de vision no esta restringido a un unico punto, los rayos principales de los varios puntos de campo seran incidentes sobre el primer prisma de Wollaston 130 con diferentes angulos de incidencia y, por lo tanto, la diferencia de longitud de trayectoria optica tambien cambiara segun el angulo de incidencia. Esto significa que la diferencia de longitud de trayectoria optica es tambien dependiente del angulo de incidencia. Cuando el segundo prisma de Wollaston 140 se traslada en las direcciones indicadas por la flecha “A” en la figura 1, la diferencia de longitud de trayectoria optica tambien se vera afectada. La recuperacion del espectro para los diferentes puntos de campo debe entonces tener en cuenta la dependencia frente al campo de la diferencia de longitud de trayectoria optica con traslacion del segundo prisma de Wollaston 140. Para mediciones espectrales precisas, no es, por tanto, posible aplicar el mismo procesamiento de senal a todos los puntos de campo, lo que da como resultado un procesamiento mas complejo.

Segun la presente invencion, se utilizan componentes birrefringentes para la formacion de imagenes hiperespectrales en un nuevo sistema interferometrico de formacion de imagenes que resuelve las limitaciones del sistema de formacion de imagenes descrito en el artfculo de Harvey y otros. En el nuevo sistema interferometrico de formacion de imagenes, se supone que el objeto esta en el infinito, y si el objeto no esta en el infinito, se utiliza una optica para ponerlo en el infinito. En este caso, son paralelos todos los rayos procedentes de un unico punto del objeto que entran en el sistema interferometrico de formacion de imagenes.

La presente invencion se describe a continuacion con referencia a la utilizacion de prismas de Wollaston. Se comprendera facilmente que pueden usarse otros prismas birrefringentes cuando sea apropiado.

Las figuras 3 y 4 ilustran una primera realizacion de la presente invencion en la que un prisma de Wollaston es reproducido como imagen sobre un segundo prisma de Wollaston. En esta realizacion espedfica, no se muestran polarizadores, pero estos son necesarios para el funcionamiento del sistema optico. Haciendo referencia inicialmente a la figura 3, se muestra un sistema 300 de formacion de imagenes que comprende un primer prisma de Wollaston 310, un sistema optico 320 que comprende unas lentes primera y segunda 330, 340, un segundo prisma de Wollaston 350, una lente 360 de formacion de imagenes y un sistema detector 370 dispuesto en un eje optico 380. Unos polarizadores primero y segundo (no mostrados por motivos de claridad) tambien se disponen delante del primer prisma de Wollaston 310 y despues del segundo prisma de Wollaston 350 de una manera similar a la descrita anteriormente con referencia a la figura 1. En este caso, el segundo prisma de Wollaston 350 es una imagen especular del primer prisma de Wollaston 310, ya que el plano de division esta efectivamente invertido.

La figura 4 ilustra el comportamiento de dos rayos 400, 450 de ejemplo procedentes de un punto del objeto sobre el eje. El primer rayo 400 es el rayo principal procedente de un punto del objeto sobre el eje y esta alineado con el eje optico 380 del sistema 300 de formacion de imagenes. El rayo 400 es incidente sobre el primer prisma de Wollaston 310 y se divide en dos rayos componentes 410, 420 que tienen polarizaciones ortogonales. Los rayos componentes 410, 420 atraviesan el sistema optico 320 y se reproducen como imagen sobre el segundo prisma de Wollaston 350. El segundo prisma de Wollaston 350 recombina los dos rayos componentes 410, 420 para formar un rayo de salida 430 que es detectado por el sistema detector 370. Como se muestra, los rayos componentes 410, 420 son paralelos entre ellos a medida que atraviesan el sistema optico 320.

El segundo rayo 450 es paralelo al primer rayo 400, pero esta separado del eje optico 380 como se muestra. De una manera similar al primer rayo 400, el primer prisma de Wollaston 310 divide el segundo rayo 450 en dos rayos componentes 460, 470 que tienen polarizaciones ortogonales. Los rayos componentes 460, 470 atraviesan el sistema optico 320 y se reproducen como imagen sobre el segundo prisma de Wollaston 350. El segundo prisma de Wollaston 350 recombina los dos rayos componentes 460, 470 para formar un rayo de salida 480 que es detectado por el sistema detector 370. Como se muestra, los rayos componentes 460, 470 son paralelos entre ellos a medida que atraviesan el sistema optico 320, aunque estan en angulo con respecto al eje optico 380 del sistema 300 de formacion de imagenes. Ambos rayos ilustrativos 400, 450 se superponen en el plano de imagen del sistema detector 370.

En esta realizacion, el sistema optico 320 (que incluye las lentes 330, 340) se utiliza para formar la imagen del

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prisma de Wollaston 310 sobre un segundo prisma de Wollaston 350. En este caso, la cizalladura puede cancelarse para este punto de campo sobre el eje. Esto se realiza en la practica ajustando la posicion longitudinal de los prismas de Wollaston 310, 350. Para otros puntos de campo en los que los rayos incidentes no son paralelos al eje optico 380 del sistema 300 de formacion de imagenes, la cizalladura es tambien minima, aunque en la practica aparece alguna cizalladura residual debido a una desviacion en el material birrefringente.

Por tanto, las ventajas de esta configuracion son dobles, es decir, la cizalladura lateral se cancela efectivamente y la diferencia de longitud de la trayectoria optica relacionada dependiente del campo tambien se cancela y no hay necesidad de producir prismas de Wollaston que esten pareados con exactitud. Si los dos prismas de Wollaston tienen diferencias en los angulos de division, interviniendo el aumento del sistema optico 320 que forma la imagen de un prisma de Wollaston sobre otro prisma de Wollaston, es posible compensar esta inexactitud en la fabricacion de los prismas de Wollaston. Esto se realiza facilmente en la practica ajustando la posicion longitudinal de los dos prismas de Wollaston, es decir, la distancia entre los dos prismas de Wollaston a largo del eje optico 380 del sistema 300 de formacion de imagenes.

En esta realizacion, la traslacion lateral de uno cualquiera de los dos prismas de Wollaston 310, 350 cambiara la diferencia de longitud de trayectoria optica, Aopl, como se describio anteriormente con referencia a la figura 1. Esto es debido a la formacion de la imagen de un prisma de Wollaston sobre el otro, y el prisma de Wollaston que se traslada lateralmente se considera que es el "segundo" prisma de Wollaston cuando se le compara con los sistemas de formacion de imagenes de la tecnica anterior. Sin embargo, si esta traslacion del “segundo” prisma de Wollaston elegido se produce perpendicularmente al eje optico 380 del sistema 300 de formacion de imagenes, la traslacion creara a continuacion un poco de cizalladura y, por lo tanto, inevitablemente, cierta diferencia asociada de longitud de trayectoria optica dependiente del campo. La reintroduccion de cierta cizalladura es asf perjudicial para la calibracion, dado que la relacion entre la Aopl efectiva y la traslacion es diferente para cada punto del campo. Si el prisma de Wollaston se traslada en paralelo a su plano de division virtual, este problema se reduce significativamente, ya que, en este caso, la traslacion del "segundo" prisma de Wollaston no crea ninguna cizalladura despues de la recombinacion de rayos en una primera aproximacion. Como se muestra en la figura 4, las direcciones de movimiento del "segundo" prisma de Wollaston se indican por la flecha “B” para el prisma de Wollaston 310 y por la flecha “C” para el prisma de Wollaston 350, es decir, en una direccion paralela a los respectivos planos de division virtuales. El plano de division virtual se describe con mas detalle a continuacion con referencia a la figura 9.

Se ilustra en la figura 5 otra realizacion de un sistema 500 de formacion de imagenes segun la presente invencion. El sistema 500 de formacion de imagenes comprende un divisor de haz polarizante 510, un unico prisma de Wollaston 520, un sistema optico 530 y un espejo plano 540 dispuesto sobre un eje optico 550 del sistema 500 de formacion de imagenes. Ademas, se proporciona un detector 560 de formacion de imagenes que puede ser una camara u otro dispositivo de formacion de imagenes adecuado. Una lente 570 de formacion de imagenes esta situada entre el divisor de haz polarizante 510 y el detector 560 de formacion de imagenes para enfocar el haz de salida (no mostrado) sobre el detector 560 de formacion de imagenes, como se describira con mas detalle a continuacion con referencia a las figuras 6 a 8.

Aqm, la disposicion es preferiblemente tal que, si z es el eje optico, y si su direccion ortogonal en el plano del papel es x, la tercera direccion ortogonal y es perpendicular al plano del papel, entonces el divisor de haz 510 esta orientado preferiblemente de tal manera que el eje optico 580 despues de la reflexion sea perpendicular al eje optico 550 y este orientado en 45° respecto de ambos ejes x e y.

Como se muestra, el espejo plano 540 permite que el prisma de Wollaston 520 se reproduzca como imagen sobre sf mismo. La posicion longitudinal del espejo plano 540 a lo largo del eje optico 550 se puede ajustar en profundidad para asegurar que un haz de entrada colimado salga tambien del sistema 500 de formacion de imagenes como un haz de salida colimado.

Sera facil de apreciar que el espejo plano 540 puede comprender cualquier elemento de reflexion adecuado que, en combinacion con un sistema optico adecuado (una o mas lentes, por ejemplo), permita que el prisma de Wollaston se reproduzca como imagen de sf mismo. Por ejemplo, el elemento de reflexion puede comprender un espejo concavo y el sistema optico comprende una combinacion adecuada de lentes.

El divisor de haz polarizante 510 esta orientado con un angulo de 45° con respecto al eje optico 550 de tal manera que los rayos transmitidos desde una fuente de radiacion puntual entran en el prisma de Wollaston 520 con una polarizacion lineal predeterminada. A este respecto, el divisor de haz polarizante 510 reemplaza al polarizador 120 en la figura 1 y al polarizador (no mostrado) de la figura 3. La polarizacion lineal predeterminada es de 45° con respecto al eje optico del prisma de Wollaston 520, es decir, a 45° respecto de ambos ejes x e y.

En esta realizacion, el prisma de Wollaston 520 se traslada en las direcciones indicadas por la flecha “D” con respecto al eje optico 550 del sistema 500 de formacion de imagenes, es decir, en una direccion paralela a su plano de division virtual.

El divisor de haz polarizante 510 tambien sirve para reflejar la radiacion que vuelve a traves del sistema 500 de

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formacion de imagenes hacia el detector 560 de formacion de imagenes como se describira con mas detalle a continuacion con referencia a las figuras 6 a 8.

Como alternativa a un divisor de haz polarizante 510, puede usarse un divisor de haz no polarizante en combinacion con un polarizador del tipo descrito anteriormente con referencia a la figura 1. Cuando el sistema 500 de formacion de imagenes efectivamente forma la imagen del prisma de Wollaston 520 sobre sf mismo, solo se requiere un polarizador. Como antes, el objeto se supone que esta en el infinito.

La posicion longitudinal del espejo a lo largo del eje optico 550 del sistema 500 de formacion de imagenes se puede ajustar para asegurar que el haz de entrada colimado salga tambien del sistema de formacion de imagenes como un haz de salida colimado.

Las figuras 6 a 8 ilustran los comportamientos de tres rayos de ejemplo a traves del sistema 500 de formacion de imagenes. En la figura 6 se muestra un rayo 600 procedente de un punto del objeto sobre el eje. El rayo 600 se transmite por el divisor de haz polarizante 5l0 hacia el prisma de Wollaston 520 en donde se divide en dos rayos componentes polarizados ortogonalmente 610, 620 que son ligeramente divergentes. El sistema optico 530 se coloca de modo que el prisma de Wollaston 520 este en su punto focal para que los rayos componentes 610, 620 sean normalmente incidentes sobre el espejo plano 540 y se reflejen de vuelta a lo largo de la misma trayectoria, indicandose los rayos reflejados como 610' y 620', respectivamente. En el prisma de Wollaston 520, los dos rayos componentes reflejados 610', 620' son recombinados como un rayo de salida 600' que luego se refleja en el divisor de haz polarizante 510 hacia la lente 570 de formacion de imagenes para formar su imagen sobre un plano focal del detector 560 de formacion de imagenes. En este caso, como el rayo 600 esta alineado con el eje optico 550 del sistema 500 de formacion de imagenes, dicho rayo pasa sin ser desviado a traves de la lente 570 de formacion de imagenes.

Aqrn, la distancia entre el prisma de Wollaston 520 y su imagen (el "segundo" prisma de Wollaston) se reduce a 0 y, por lo tanto, existe una muy pequena dependencia con respecto al campo. En la practica, la desviacion inducida por la birrefringencia que crea cizalladura no se compensa completamente y se mantiene una diferencia residual de longitud de trayectoria optica inducida por cizalladura, dependiente del campo. Sin embargo, esta diferencia de longitud de trayectoria optica es considerablemente menor que la inducida por la separacion longitudinal entre los dos prismas de Wollaston 130, 140 mostrados en la figura 1.

Al tener una configuracion de formacion de imagenes con un aumento uno a uno, el angulo de division producido por el prisma de Wollaston en una direccion se compensa perfectamente por la segunda pasada en la otra direccion. La ventaja economica de esto es doble ya que se requiere solo un prisma de Wollaston en lugar de dos y no hay necesidad de tener un control muy preciso de los angulos de Wollaston durante la fabricacion, dado que no es necesario formar un pareado.

En la figura 7 se muestra un rayo 700 procedente del mismo objeto que el mostrado en la figura 6, pero que es paralelo al eje optico 550 del sistema 500 de formacion de imagenes. El rayo 700 es transmitido por el divisor de haz polarizante 510 hacia el prisma de Wollaston 520, en el que se divide en dos rayos componentes polarizados ortogonalmente 710, 720 que son ligeramente divergentes. En este caso, el sistema optico 530 refracta los rayos componentes 710, 720 y los dirige hacia el espejo plano 540. De nuevo, los rayos componentes reflejados 710', 720' son dirigidos por el sistema optico 530 de vuelta al prisma de Wollaston 520, en el que se recombinan como un rayo de salida 700'. Como antes, el rayo de salida 700' se refleja entonces en el divisor de haz polarizante 510 hacia la lente 570 de formacion de imagenes para formar su imagen sobre un plano focal del detector 560 de formacion de imagenes.

En la figura 8 se muestra un rayo 800 procedente de un objeto fuera del eje. El rayo 800 es transmitido por el divisor de haz polarizante 510 hacia el prisma de Wollaston 520, en el que se divide en dos rayos componentes polarizados ortogonalmente 810, 820 que son ligeramente divergentes. En este caso, el sistema optico 530 refracta los rayos componentes 810, 820 y los dirige hacia el espejo plano 540. Una vez mas, los rayos componentes reflejados 810', 820' son dirigidos por el sistema optico 530 de vuelta al prisma de Wollaston 520, en el que se recombinan como un rayo de salida 800'. Como antes, el rayo de salida 800' se refleja entonces en el divisor de haz polarizante 510 hacia la lente 570 de formacion de imagenes para formar su imagen sobre un plano focal del detector 560 de formacion de imagenes. Para angulos de campo pequenos, la cizalladura lateral es muy pequena y la diferencia de longitud de trayectoria optica dependiente del campo tambien es muy limitada.

El aumento de uno a uno proporcionada por el sistema de formacion de imagenes mostrado en la figura 5 proporciona una ventaja adicional que no se pueden obtener con los sistemas de formacion de imagenes convencionales, como se describe con referencia a la figura 1. En los sistemas de formacion de imagenes convencionales, la traslacion del "segundo" prisma de Wollaston es en una direccion perpendicular a la normal de la cara de entrada del prisma de Wollaston y el unico desplazamiento lateral, h, se determina para un angulo incidente que es normal a la cara de entrada, como se describio anteriormente.

Se apreciara facilmente que la recombinacion de las dos componentes polarizadas ortogonalmente es efectivamente una operacion inversa a la de la division de la radiacion polarizada en las dos componentes polarizadas

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ortogonalmente. Durante la division, un haz polarizado que tiene intensidades de componente de polarizacion iguales en las direcciones ordinaria y extraordinaria del prisma de Wollaston se divide en dos componentes, como es bien sabido. Cada componente emerge del prisma de Wollaston en una direccion diferente y con una polarizacion lineal que es ortogonal a la polarizacion lineal de la otra componente, teniendo las dos componentes unas intensidades iguales. Durante la recombinacion, las dos componentes lineales polarizadas ortogonalmente se desvfan por el mismo prisma de Wollaston (como se describio anteriormente con referencia a las figuras 5 a 8) o por un segundo prisma de Wollaston (como se describio anteriormente con referencia a las figuras 3 y 4) para hacerlos colineales despues de salir del prisma de Wollaston relevante. La recombinacion en este caso pretende significar que se hace que la radiacion polarizada que sale del prisma de Wollaston sea colineal, este coalineada o sea paralela. Se proporciona al menos un polarizador para proyectar la radiacion polarizada recombinado en un solo estado de polarizacion, dado que la radiacion polarizada ortogonalmente recombinada conserva los dos estados de polarizacion ortogonal de las dos componentes polarizadas ortogonalmente.

Como se describio anteriormente, la traslacion del unico prisma de Wollaston (figuras 5 a 8) o el segundo prisma de Wollaston (figuras 3 y 4) en una direccion paralela a su plano de division virtual modula la intensidad de la radiacion polarizada recombinada. La intensidad modulada es muestreada para que corresponda a la diferencia de longitud de trayectoria optica, Aopl, desde -Aoplmax hasta +Aoplmax o desde 0 hasta ±Aoplmax.

Haciendo referencia ahora a la figura 9, se describira un plano de division virtual en un prisma de Wollaston. En la figura 9 se muestra un prisma de Wollaston 900 que tiene una cara de entrada 910 y la cara de salida 920 con un angulo de division 0. El prisma 900 comprende dos materiales birrefringentes 930, 940 que estan alineados a lo largo de un plano de division 950 relacionado el angulo de division o de cuna 0. El prisma tambien tiene un eje optico 960, como se muestra. Los rayos que entran en el prisma 900 a lo largo de la normal a la cara de entrada 910 experimentan una doble refraccion. Se muestra en la figura 9 un rayo 970 a modo de ejemplo. La primera refraccion es se deriva de la diferencia de mdice de refraccion debida a la orientacion ortogonal de los ejes opticos de los materiales birrefringentes 930, 940 que constituyen el prisma de Wollaston 900, y la segunda refraccion se produce en la cara de salida 920 del prisma de Wollaston 900 debido a una incidencia fuera de la normal como resultado de la primera refraccion.

Como se muestra en la figura 9, la primera refraccion del rayo 970 produce dos rayos componentes 970a, 970b que tienen polarizaciones ortogonales, divergiendo ligeramente los rayos componentes 970a, 970b, como se muestra. La segunda refraccion se produce cuando los dos rayos componentes divergentes 970a, 970b pasan fuera de la cara de salida del prisma 900, como se muestra por los rayos componentes 970a', 970b'. Los rayos componentes refractados 970a', 970b' parecen originarse en un punto 980a sobre un plano de division virtual 980, como se muestra en la figura 9. Como se muestra, el angulo del plano de division virtual 980 no se corresponde con el angulo ffsico de cuna o de division, 0, del prisma de Wollaston 900. En un sistema de formacion imagenes con aumento lateral de uno a uno, el aumento longitudinal tambien es uno. Como resultado, el plano de division virtual 980 puede reproducirse como imagen sobre sf mismo sin deformacion. La traslacion del prisma 900 en la direccion a lo largo de su plano de division virtual asegura que los dos rayos componentes 970a, 970b derivados del rayo original 970 en incidencia normal con respecto a la cara de entrada 910 no tengan cizalladura entre los rayos componentes de polarizacion cuando el prisma 900 se traslada en la direccion de la flecha “D”, como se muestra en las figuras 5 a 8. En este caso, la diferencia de longitud de trayectoria optica, Aopl, se puede expresar como:

Aopl = 4bh tan0

Como no se crea cizalladura durante la traslacion, la dependencia de la diferencia de longitud de trayectoria optica, Aopl, durante la traslacion del prisma de Wollaston es la misma para todos los puntos del campo.

Del mismo modo, para los rayos componentes reflejados 990a', 990b', hay dos refracciones cuando estos rayos entran en la cara de salida 920, es decir, en la cara de salida 920 y en la interfaz 950 entre los dos materiales birrefringentes 930, 940. Como describio anteriormente, los dos rayos componentes 990a, 990b se recombinan en el prisma de Wollaston 900 para formar el rayo de salida reflejado 990. Aqrn, los rayos componentes reflejados 990a', 990b' parecen converger en un punto 980b en el plano de division virtual 980 antes de converger en la interfaz 950.

Haciendo referencia ahora a la figura 10, el prisma 1000 se muestra teniendo una cara de entrada 1010 y una cara de salida 1020. El prisma 1000 tiene dos materiales birrefringentes 1030, 1040 con una interfaz 1050 entre los dos materiales birrefringentes 1030, 1040. El prisma 1000 se muestra en el eje optico 1060 de un sistema de formacion de imagenes (no mostrado). Un rayo 1070 de ejemplo incidente sobre la cara de entrada 1010 se divide en unos rayos componente 1070a, 1070b teniendo un angulo, 01, entre ellos debido a la refraccion en la interfaz 1050. Despues la refraccion en la cara de salida 1020, los rayos componentes refractados 1070a', 1070b' parecen divergir desde un punto 1080a en un plano de division virtual 1080 bajo un angulo, 02, hacia el sistema optico 1090. La ecuacion del angulo del plano de division virtual se puede definir como:

y tan O tan O, tan&2

en donde z es la coordenada longitudinal a lo largo del optico eje del sistema de formacion de imagenes y x es la coordenada lateral en el plano de la figura 10, que es perpendicular a z. Tambien se muestra en la figura 10 el espesor, L, del prisma 1o0o y la distancia focal, f, del sistema optico 1090. El sistema optico 1090 esta alineado con el prisma de Wollaston 1000 de modo que el punto focal del mismo este alineado con el punto 1080a en el plano de 5 division virtual 1080.

Aunque la presente invencion se ha descrito con referencia a realizaciones espedficas, se apreciara que tambien son posibles otras realizaciones.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un metodo de realizacion de una formacion de imagenes hiperespectrales, comprendiendo el metodo las etapas de:

a) recibir una radiacion polarizada (400, 450; 600; 700; 800) en un primer prisma de Wollaston (310; 520) situado en una primera posicion;

b) separar la radiacion polarizada (400, 450; 600; 700; 800) en dos componentes polarizadas ortogonalmente (410, 420; 610, 620; 710, 720; 810, 820) utilizando el primer prisma de Wollaston (310; 520);

c) dirigir las dos componentes polarizadas ortogonalmente (410, 420; 610, 620; 710, 720: 810, 820) hacia una segunda posicion utilizando una optica de rele, formandose en la segunda posicion la imagen del primer prisma de Wollaston (310; 520) situado en la primera posicion;

d) recombinar las dos componentes polarizadas ortogonalmente (410, 420; 610, 620; 710, 720; 810, 820) en una radiacion polarizada recombinada (480; 600'; 700'; 800') en la segunda posicion;

e) proyectar la radiacion polarizada recombinada (480; 600'; 700'; 800') en un solo estado de polarizacion usando al menos un polarizador; y

f) modular la radiacion polarizada recombinada (480; 600'; 700'; 800') para que interfiera en el plano (370; 560) de formacion de imagenes;

caracterizado por que la etapa f) comprende trasladar el primer prisma de Wollaston (310; 520) en una direccion paralela a su plano de division virtual para modular la radiacion polarizada recombinada (480; 600'; 700'; 800').
2. Un metodo segun la reivindicacion 1, en el que la etapa c) comprende formar la imagen del plano de division virtual del primer prisma de Wollaston (520) sobre sf mismo.
3. Un metodo segun la reivindicacion 2, en el que la etapa d) comprende la utilizacion del primer prisma de Wollaston (520) para recombinar las dos componentes polarizadas ortogonalmente (610, 620; 710, 720; 810, 820).
4. Un metodo segun la reivindicacion 1, en el que la etapa c) comprende formar la imagen del primer prisma de Wollaston (310) sobre un segundo prisma de Wollaston (350) situado en la segunda posicion, invirtiendose el plano de division virtual en el segundo prisma de Wollaston (350).
5. Un metodo segun la reivindicacion 4, en el que la etapa d) comprende la utilizacion del segundo prisma de Wollaston (350) para recombinar las dos componentes polarizadas ortogonalmente (410, 420).
6. Un metodo segun la reivindicacion 4 o 5, en el que la etapa f) comprende la traslacion de uno de los prismas de Wollaston primero y segundo (310, 350) en una direccion paralela a su respectivo plano de division virtual para modular la radiacion polarizada.
7. Un sistema (300; 500) de formacion de imagenes hiperespectrales para realizar una formacion de imagenes hiperespectrales, comprendiendo el sistema:

un primer prisma de Wollaston (310, 350; 520) situado en una primera posicion para separar una radiacion polarizada (400, 450; 600; 700; 800) en dos componentes polarizadas ortogonalmente (410, 420; 610, 620; 710, 720; 810, 820);

un sistema optico (320, 330, 340; 530, 540) para dirigir las dos componentes polarizadas ortogonalmente (410, 420; 610, 620; 710, 720; 810, 820) hacia una segunda posicion y para formar la imagen del primer prisma de Wollaston (310) en la segunda posicion;

unos medios de recombinacion (350; 520) para recombinar las dos componentes polarizadas ortogonalmente (410, 420; 610, 620; 710, 720; 810, 820) en una radiacion polarizada recombinada (480; 600'; 700'; 800') en la segunda posicion, incluyendo los medios de recombinacion al menos un polarizador (510);

un detector (370; 560) de formacion de imagenes que tiene un plano de formacion de imagenes; y

una lente (360; 570) de formacion de imagenes para enfocar la radiacion polarizada recombinada (480; 600'; 700'; 800') en el plano de formacion de imagenes del detector (370; 560) de formacion de imagenes;

caracterizado por que el sistema de formacion de imagenes hiperespectrales comprende ademas unos medios de traslacion para trasladar al menos el primer prisma de Wollaston (310; 520) en una direccion paralela a su plano de division virtual.
8. Un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales segun la reivindicacion 7, en el que la distancia entre las posiciones primera y segunda es cero y el sistema optico (530) incluye al menos una lente (530) y un elemento de

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reflexion (540) para reflejar de vuelta la radiacion a traves del sistema optico (530) de modo que el primer prisma de Wollaston (520) sea reproducido como imagen sobre sf mismo.
9. Un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales segun la reivindicacion 8, en el que el elemento de reflexion (540) comprende un espejo plano.

5 10. Un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales segun la reivindicacion 8 o 9, que comprende ademas

un divisor de haz (510) para transmitir la radiacion incidente al primer prisma de Wollaston (520) y para reflejar la radiacion hacia el detector (560) de formacion de imagenes.
11. Un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales segun la reivindicacion 10, en el que el divisor de haz (510) es un divisor de haz polarizante.

10 12. Un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales segun la reivindicacion 10, que comprende ademas al

menos un polarizador asociado con el divisor de haz (510) para polarizar la radiacion incidente (600; 700; 800).
13. Un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales segun la reivindicacion 7, que comprende ademas un segundo prisma de Wollaston (350) situado en la segunda posicion entre el sistema optico (320, 330, 340) y el detector (370) de formacion de imagenes, formando el sistema optico (320, 330, 340) la imagen del primer prisma de

15 Wollaston (310) sobre el segundo prisma de Wollaston (350).
14. Un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales segun la reivindicacion 13, en el que los medios de traslacion estan asociados con uno de los prismas de Wollaston primero y segundo (310, 350).
15. Un sistema de formacion de imagenes hiperespectrales segun la reivindicacion 13 o 14, que ademas comprende unos polarizadores primero y segundo asociados con unos prismas respectivos de entre los prismas de Wollaston

20 primero y segundo (310, 350).