ES2640566T3 - Telescopio de imagenología estereoscópico compacto - Google Patents

Abstract

Dispositivo de imagenología estereoscópico compacto que consta de un dispositivo óptico de formación de imagen y un dispositivo de detección optoelectrónico que tiene dos líneas de detección dispuestas en el plano de la imagen del dispositivo óptico, comprendiendo este dispositivo óptico un telescopio de cabezal único (11) con dos canales ópticos (A, B) con tres espejos asféricos de los cuales dos son comunes a los haces recibidos (12, 13) y el tercero (16, 18), (22, 23), (26, 29), (32, 36), (43, 45) (48, 53) está disociado y pertenece a dos partes dedicadas, cada una, a uno de los dos canales ópticos (A, B) del telescopio, comprendiendo, cada una de estas dos partes, al menos un espejo plano (14, 20, 25, 31, 41, 47), (15, 21, 28, 35, 42, 52) en el que los dos canales ópticos (A, B) tienen sus ejes ópticos disociados, estando los espejos planos (14, 20, 25, 31, 41, 47), (15, 21, 28, 35, 42, 52) de cada canal óptico dispuestos de forma que, en el plano de la imagen, las dos líneas de detección (8, 10) de dichos dos canales ópticos sean distintas, paralelas entre sí, y distantes una distancia no nula, comprendida entre 0 y el valor nominal Dn de la distancia (e) entre las líneas de detección, tal que Dn>= f. B/H, siendo f la distancia focal nominal del telescopio, B la anchura de la zona del plano del objeto vista en el plano de la imagen y H la distancia entre el plano del objeto y el dispositivo de imagenología.

Description

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Telescopio de imagenologfa estereoscopico compacto

La presente invencion se refiere a un dispositivo de imagenologfa estereoscopico compacto, y en particular a un dispositivo adaptado a los satelites de observacion para los cuales la masa, el volumen y la fiabilidad son parametros crfticos, en particular en terminos de las prestaciones de vida util y de agilidad.

Se conoce a partir del documento US 2007/109637 un sistema de imagenologfa estereoscopico, con uno o dos telescopios. La estereoscopia se realiza con un solo detector. Esto implica la presencia de un mecanismo de obturacion, llamado «shutter», para iluminar el detector sucesivamente por la misma escena: una vez mediante el primer canal optico, la otra vez mediante el segundo. Esta solucion no esta adaptada a los satelites de observacion. En efecto, estos ultimos necesitan una gran fiabilidad durante vidas utiles elevadas, generalmente de 5 a 10 anos. Asimismo, la utilizacion de mecanismo de tipo «shutter» generalmente esta prohibida.

El documento US 7 031 059 propone un telescopio de cabezal unico con dos ramas opticas. La estereoscopia se realiza bien con dos planos focales separados o bien con un solo plano focal de grandes dimensiones. En efecto, para este ultimo caso, el eje optico de los dos canales opticos que garantizan la estereoscopia es identico, y en consecuencia la separacion de las dos lfneas de deteccion esta en la relacion del angulo estereoscopico.

El documento US 7 119 954 trata de la estereoscopia con dos telescopios de cabezales diferentes. El angulo de estereoscopio puede ser grande, pero necesita un dispositivo de recombinacion/registro de los telescopios.

En la figura 1 se ha esquematizado un instrumento optico generador de imagenes convencional 1. Este instrumento comprende una optica de focalizacion 2 dispuesta entre un plano del objeto 3 y un plano de la imagen 4 en el que forma la imagen del plano 3. El plano del objeto es, en el ejemplo representado, una banda de terreno que es barrida, en el plano del objeto 3, segun la direccion de la flecha 5, y en el plano de la imagen segun la flecha 6. La optica 2 esta a una distancia H del plano del objeto y su eje optico se referencia 7. Para realizar una toma de imagenes estereoscopica, dos lfneas de deteccion o retinas 8, 9 estan dispuestas en el plano de la imagen 4, perpendicularmente a la direccion de barrido 6. La distancia entre las lfneas 8 y 9 se indica como «e» (figura 2), y corresponde, en el plano del objeto, a una anchura de terreno (anchura medida paralelamente a la direccion 5) igual a B. La longitud de cada una de las lfneas 8 y 9 (identicas entre sf) se indica como L. En esta figura 2, se han indicado mediante flechas 6A y 6B1 (o 6B2) los sentidos de desplazamiento de las imagenes en las lfneas de deteccion 8 y 9 respectivamente. Se observara que, siguiendo la arquitectura optica seleccionada, el sentido de desplazamiento de la imagen en la lfnea de deteccion B puede estar invertido o no (flecha 6B2 o 6B1) con respecto al sentido de desplazamiento de la imagen en la lfnea de deteccion A.

Un instrumento optico generador de imagenes convencional acepta un campo mas o menos extendido segun el rendimiento requerido. Permite, por lo tanto, integrar en teorfa un canal nominal y un canal estereoscopico con una relacion B/H que esta en funcion del campo aceptable. La relacion B/H esta asociada con el semi-angulo de separacion de los canales 0 mediante la relacion: Tan 0 = B/(2H)

Para presentar un interes de reconstitucion de imagenes en relieve, la relacion B/H debe ser superior a 0,01 aproximadamente, es decir un angulo estereoscopico 0 superior a 0,25° aproximadamente (siendo 0 el semi -angulo con el que se ve la porcion de terreno de anchura B).

La distancia e entre las lfneas de deteccion esta en funcion de la longitud focal del instrumento f y es expresada por la relacion: e = 2.f.tan 0 = f. B/H

Para los generadores de imagenes con alta resolucion, las distancias focales son muy grandes, y lo mismo ocurre para la distancia e entre las lfneas de deteccion.

Por ejemplo, para una distancia focal de 20000 mm y una relacion B/H de 0,02, esta distancia vale 400 mm. De manera mas general, para los telescopios, siendo el campo de revolucion, la separacion maxima de las lfneas de deteccion es cercana a su longitud: e~L, lo que hace al instrumento de imagenologfa muy voluminoso. Las soluciones actuales utilizan una arquitectura con varios planos focales o con separaciones de retinas homoteticas de la relacion B/H, la separacion de las dos lfneas de deteccion alcanza dimensiones cercanas a las longitudes de retinas: 200 a 1000 mm siguiendo las aplicaciones.

La presente invencion tiene por objeto un dispositivo de imagenologfa estereoscopico que sea compacto, sin que, sin embargo, su compacidad disminuya sus cualidades estereoscopicas, y que tiene una gran fiabilidad durante vidas utiles elevadas.

El dispositivo de imagenologfa estereoscopico de acuerdo con la invencion es un dispositivo que consta de las caracterfsticas de la reivindicacion 1. De este modo, el dispositivo de la invencion esta constituido por un telescopio de cabezal unico con dos canales opticos que garantizan la estereoscopia, teniendo estos dos canales opticos su eje optico disociado para llevar a dos planos de imagen coplanares. La distancia entre las lfneas de deteccion se minimiza para limitar el volumen del plano focal y su masa. Se observara que la segunda lfnea de deteccion tambien

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puede servir como redundancia a la primera para las tomas de imageries en un modo que no es de acuerdo con la invencion. La presente invencion se entendera mejor con la lectura de la descripcion detallada de un modo de realizacion, tomado a modo de ejemplo no limitante e ilustrado mediante los dibujos adjuntos, en el que:

- las figuras 1 y 2, ya descritas anteriormente, son esquemas simplificados que muestran las relaciones establecidas entre los diferentes parametros de un instrumento de imagenologfa convencional,

- la figura 3 es un diagrama del plano de la imagen de un instrumento de imagenologfa, que muestra las posiciones respectivas de las dos lfneas de deteccion de un instrumento de imagenologfa de acuerdo con la invencion,

- las figuras 4 a 7 son esquemas, en corte segun el eje optico, de varios modos de realizacion de un instrumento de imagenologfa de acuerdo con la invencion,

- la figura 8 es un diagrama relativo a la estereoscopia multifocal en los planos de la imagen y del objeto de un instrumento de imagenologfa de acuerdo con la invencion, y

- las figuras 9 a 12 son esquemas en corte de acuerdo con el eje optico, de otros modos de realizacion de un instrumento de imagenologfa.

En el esquema de la figura 3, similar al de la figura 2, se han representado en lfnea discontinua las posiciones respectivas de las lfneas de deteccion 8 y 9 de un dispositivo de imagenologfa de la tecnica anterior, y en lfnea continua en negrita las posiciones respectivas de las dos lfneas de deteccion 8 (en la misma posicion que de acuerdo con la tecnica anterior) y 10 (mas cercana a la posicion 8 que en la tecnica anterior). La distancia entre las posiciones 8 y 10 se indica como d y es tal que 0<d<e.

En las figuras 4 y 5 se han representado dos ejemplos de realizacion de un telescopio con sistema optico de tipo Korsch con dos lfneas de deteccion cercanas a la forma esquematizada en la figura 3. En estas figuras, como en todas las siguientes, se ha indicado mediante flechas 6A y 6B los sentidos de desplazamiento de las imagenes en las lfneas de deteccion 8 y 10 respectivamente.

Estas dos figuras 4 y 5 se refieren al caso en el que la relacion B/H es igual a 0,015. Se entiende bien que la invencion no esta limitada a este tipo de telescopio, y que puede implementarse con otros tipos de telescopios. En estas dos figuras, como en las figuras 9 y 10, los dos planos de dos lfneas de deteccion 8 y 10 son coplanares, pero no se confunden necesariamente.

En la figura 4, el telescopio 11, cuyo eje optico del espejo primario se referencia Ax, consta de un primer espejo (espejo primario) asferico concavo (parabolico en el presente caso) 12 que reenvfa los haces incidentes (que llegan al espejo 12 en la direccion de la flecha marcada I en la figura) hacia un segundo espejo parabolico convexo 13 (espejo secundario). El espejo 13 reenvfa estos haces, que son haces convergentes y que corresponden, cada uno, a un canal de adquisicion, a dos espejos planos 14, 15 dispuestos proximos a los puntos de convergencia de los haces respectivos. El espejo 14 reenvfa los haces de un primer canal incidente (designado canal A) hacia el espejo asferico 16 (llamado tambien espejo terciario en un telescopio de Korsch), seguido de otro espejo plano 17 mas. Este ultimo espejo 17 reenvfa los haces que recibe hacia la lfnea de deteccion 8 (que se extiende perpendicularmente al plano del dibujo). El espejo 15 reenvfa los haces de un segundo canal incidente (designado canal B) hacia otro espejo asferico 18, seguido de otro espejo plano 19 mas. Este ultimo espejo 19 reenvfa los haces que recibe hacia la lfnea de deteccion 10 (que se extiende tambien perpendicularmente al plano del dibujo). El conjunto de los espejos 14, 16 y 17 constituye una primera rama optica (canal A) del telescopio 11, mientras que el conjunto de los espejos 15 y 18, 19 constituye la segunda rama optica (canal B) del telescopio. Estas dos ramas estan dispuestas para replegar en «Z» los haces de los canales A y B en un volumen lo mas pequeno posible alrededor del eje Ax y para que los haces focalicen sobre las lfneas de deteccion 8 y 10 (distantes una distancia d inferior a la distancia e, como se esquematiza en la figura 3). Lo que es posible gracias a la division del esquema optico en dos partes aguas abajo del espejo 13 (llamado espejo secundario en un telescopio de Korsch) y gracias a la disociacion de los ejes opticos de los dos canales opticos: canal A y canal B mediante un posicionamiento adaptado de los espejos planos. En esta figura 4, se ha representado mediante una lfnea discontinua 10A la posicion que habrfa ocupado la lfnea de deteccion 10 si hubiera sido distante el valor e con respecto a la lfnea de deteccion 8. Los espejos 18,16 son asfericos, los espejos 14,15,17,19 son planos.

En la figura 5 se ha representado una variante 11A del telescopio 11 de la figura 4. En esta figura 5, al igual que en las figuras 6, 7, y 9 a 12, a los mismos elementos que los de la figura 4 se les asignan las mismas referencias numericas. Mientras que, en el telescopio de la figura 4, los haces de los canales A y B eran reenviados por los espejos 14 y 15, y a continuacion por los espejos 16 y 18 y finalmente por los espejos 17 y 19, ambos dos practicamente en la misma direccion con respecto al eje optico Ax, en el telescopio 11A de la figura 5, los dos primeros espejos 20 y 21 que se encuentran despues de la reflexion en el espejo secundario 13 estan dispuestos para reenviarlos en direcciones practicamente opuestas en espejos 22, 23 respectivamente. Despues de la reflexion en el espejo 22, el haz del canal A llega directamente a la lfnea de deteccion 8. El haz del canal B, despues de la reflexion en el espejo 23, es reenviado a otro espejo 24 que lo reenvfa, a su vez, hacia la lfnea de deteccion 10. Los espejos 22, 23 son asfericos, los espejos 20, 21,24 son planos.

Para la variante 11B de telescopio de la invencion representada en la figura 6, los haces del canal A son reflejados, respectivamente, por un primer espejo plano 25, a continuacion por un espejo asferico 26 y finalmente por un

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segundo espejo plano 27 para converger en la linea de deteccion 8. Los espejos 25 y 27 estan dispuestos en el mismo lado del eje Ax que el canal A (tal como se consideran en la vista en corte), mientras que el espejo 26 esta dispuesto en el mismo lado que el canal B con respecto al eje Ax. De manera similar, los haces del canal B son reflejados por un primer espejo plano 28, a continuacion por un espejo asferico 29 y finalmente por un espejo plano 30 para ser focalizados en la linea de detectores 10. Los espejos 28 y 29 estan dispuestos en el mismo lado del eje Ax que el canal B, mientras que el espejo 30 esta dispuesto en el mismo lado que el canal A con respecto al eje Ax.

Para la variante 11C de telescopio de la invencion representada en la figura 7, los haces del canal A son reflejados, respectivamente, por un primer espejo plano 31, a continuacion por un espejo asferico 32, por un segundo espejo plano 33 y finalmente por un tercer espejo plano 34 para converger en la linea de deteccion 8. Los espejos 31 y 32 estan dispuestos en el mismo lado del eje Ax que el canal A (tal como se consideran en la vista en corte), mientras que los espejos 33 y 34 estan dispuestos en el mismo lado que el canal B con respecto al eje Ax. Los haces del canal B son reflejados por un primer espejo plano 35, a continuacion por un espejo asferico 36 y finalmente por un espejo plano 37 para ser focalizados en la linea de detectores 10.

En el esquema de la figura 8, se ha representado a la izquierda el plano de la imagen y a la derecha el plano del objeto. En el plano de la imagen, la retina consta de dos lfneas de deteccion 8 y 10, distantes una distancia d, inferior a la distancia e (la de los dispositivos de la tecnica anterior, tal que: e=2f tan 0) o incluso nula (si solamente hay una linea de deteccion unica, como el ejemplo de la figura 11). Estas lfneas de deteccion pueden ser de longitudes iguales o no. En el ejemplo esquematizado, la linea del canal A tiene una longitud igual a LA, y la del canal B tiene practicamente la misma longitud.

En el plano del objeto, cuya distancia al plano de la imagen es igual a H, la anchura del campo visto por el canal A es CA, y la del campo visto por el canal B es CB. Gracias a la interposicion de un reductor de distancia focal en el canal B, como se explica a continuacion, la longitud CB es superior a CA. De manera ventajosa, CB vale aproximadamente de 1,5 a 4 veces CA.

Segun otra caracterfstica de la invencion, los campos de las tomas de imagenes pueden ser diferentes para los dos canales de adquisicion. Habitualmente, se obtiene un campo de anchura doble doblando la longitud de la retina, lo que tiene el efecto de aumentar las dimensiones del plano focal asf como el numero de datos a almacenar y a transmitir. Segun la invencion, se evitan estos inconvenientes gracias a la interposicion de un dispositivo reductor de distancia focal en uno de los dos canales, por ejemplo el canal B, como en los ejemplos representados en las figuras 9 y 10. La disminucion de resolucion del canal B asociada a la disminucion de distancia focal puede compensarse si fuera necesario utilizando, en la linea de deteccion B, detectores con pfxeles mas pequenos o pfxeles dispuestos al tresbolillo que permiten sobremuestreos espaciales.

La adicion de un reductor de distancia focal en una de las dos ramas opticas es una variante que permite realizar, con dos o una sola linea de deteccion, tareas de campo ancho, campo estrecho y estereoscopico

En la figura 9 se ha esquematizado un telescopio 11D, que consta de los mismos espejos primario y secundario que los de las figuras 4 a 7, y dos ramas opticas (canal A y canal B) dispuestas aproximadamente de la misma manera que las de las figuras 4 a 7, de las cuales una (canal B) incorpora un reductor de distancia focal fijo 40. En esta figura, a los mismos elementos que los de las figuras 4 a 7 se les asignan las mismas referencias numericas. Aguas abajo del espejo secundario 13, se dispone en el canal A un espejo 41 y en el canal B un espejo 42. El espejo 41 viene seguido por los espejos 43 y 44, y el espejo 42 viene seguido por un solo espejo 45. El canal A esta focalizado en la linea de deteccion 8, mientras que el canal B esta focalizado en la linea 10 cuya distancia d a la linea 8 esta en funcion de la disposicion respectiva de los espejos 41 a 45, y es inferior a la distancia e de los dispositivos de la tecnica anterior, como se esquematiza en la parte izquierda de la figura 8. Todos los espejos 41, 44 y 42 son planos; los espejos 43 y 45 son asfericos.

Para el telescopio 11E representado en la figura 10, los haces del canal A son reflejados, respectivamente, por un primer espejo plano 47, a continuacion por un espejo asferico 48 y por un segundo espejo plano 49, estando un dispositivo 50 de reduccion de distancia focal interpuesto en el trayecto de los haces luminosos entre los espejos 48 y 49. Los haces provenientes del espejo 49 convergen en la linea de deteccion 51. Los espejos 48 y 49 estan dispuestos en el mismo lado del eje Ax que el canal B (tal como se consideran en la vista en corte), mientras que el espejo 47 esta dispuesto en el mismo lado que el canal A con respecto al eje Ax. Los haces del canal B son reflejados por un primer espejo plano 52, a continuacion por un espejo asferico 53 y finalmente por un espejo plano 54 para ser focalizados en la linea de detectores 10. Los espejos 52 y 53 estan dispuestos en el mismo lado del eje Ax que el canal B, mientras que el espejo 54 esta dispuesto en el mismo lado que el canal A con respecto al eje Ax.

El telescopio 11F representado en la figura 11 es una variante no de acuerdo con la invencion del esquema de la figura 10. Los haces del canal A son reflejados por un primer espejo plano 55 hacia un espejo asferico 56, estando un «obturador» 57A interpuesto en el trayecto de estos haces entre los espejos 55 y 56. Los haces reflejados por el espejo 56 pasan por un reductor de distancia focal 58 y son reflejados por un segundo espejo plano 59 hacia una linea de deteccion unica 60. Los haces del canal B pasan por un segundo «obturador» 57B, son reflejados por un primer espejo plano 61 hacia un espejo asferico 62 hacia un segundo espejo plano 63 para ser focalizados en la linea de deteccion 60.

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Los dos «obturadores» 57A, 57B, colocados en las inmediaciones de los pianos focales intermedios permiten seleccionar el canal A (canal de campo ancho) o el canal B (canal de campo estrecho) segun la necesidad. Estos obturadores tambien pueden tener como funcion enmascarar cualquier entrada de luz indeseable, en particular iluminaciones solares.

En el telescopio 11G de la figura 12, que tiene una configuracion similar a la del telescopio 11A de la figura 5 pero no de acuerdo con la invencion, se interpone en cada uno de los dos canales A y B, aguas arriba del punto de convergencia de los haces de estos canales, un obturador, respectivamente 64, 65. Como en el caso del telescopio 11A de la figura 5, los haces de los dos canales A y B del telescopio 11G son reenviados en direcciones practicamente opuestas por espejos 66, 67 respectivamente. El haz del canal A, despues de la reflexion en el espejo 66, llega a un espejo 68 que lo refleja para focalizarlo en la lfnea de deteccion de barreta unica 8A, situada, por ejemplo, en el mismo emplazamiento que la lfnea de deteccion de barreta 8 de la figura 5. Un dispositivo 72 de reduccion de distancia focal esta interpuesto en el trayecto de los haces luminosos entre el espejo 68 y el plano focal. El haz del canal B, despues de la reflexion en el espejo 67, llega a un espejo 69 que lo refleja hacia otro espejo 70, para focalizarlo en la misma lfnea de deteccion de barreta unica 8A. Los espejos 69 y 70 tienen posiciones ligeramente diferentes de las de los espejos 23, 24 de la figura 5, respectivamente, para dirigir la zona de focalizacion del haz del canal B hacia la lfnea de deteccion de barreta unica 8A. Los espejos 68, 69 son asfericos, los espejos 66,67 y 70 son planos.

En resumen, la invencion permite realizar un dispositivo de imagenologfa estereoscopico compacto. Su principal caracterfstica consiste en acercar, en un telescopio de cabezal unico, las dos lfneas de deteccion dedicadas a la toma de imagenes estereoscopica al tiempo que conserva un angulo estereoscopico grande (limitado por el telescopio de cabezal). Una variante consiste en interponer un reductor de distancia focal en una de los dos canales opticos. Esta permite, en modos no de acuerdo con la invencion y ademas de la capacidad estereoscopica, realizar tomas de imagenes con campo grande o con campo estrecho con un solo plano focal equipado con dos o con una lfnea de deteccion.

Esta invencion esta particularmente adaptada a los satelites de observacion, para los cuales la masa, el volumen y la fiabilidad son parametros crfticos, en particular en terminos de prestaciones de vida util y de agilidad.

Diferentes esquemas opticos se dan como ejemplo; estos no son exhaustivos. Estos proponen parametrizaciones diferentes del dispositivo de imagenologfa tales como: la separacion entre las dos lfneas de deteccion, el sentido de desplazamiento de las imagenes en cada lfnea de deteccion, la incidencia de los haces opticos respecto al plano focal, el numero de espejos, la distribucion de los principales elementos: espejos y plano focal, la posicion de los planos de imagenes intermedias, la posicion de las pupilas de salida... Para terminar, este dispositivo de imagenologfa se adapta a cualquier tipo de planos focales: monoespectral o multiespectral; en plano o con espejos y con cualquier tipo de detector: barretas simples, barretas TDI, matrices etc.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1. Dispositivo de imagenologfa estereoscopico compacto que consta de un dispositivo optico de formacion de imagen y un dispositivo de deteccion optoelectronico que tiene dos lfneas de deteccion dispuestas en el plano de la imagen del dispositivo optico, comprendiendo este dispositivo optico un telescopio de cabezal unico (11) con dos 5 canales opticos (A, B) con tres espejos asfericos de los cuales dos son comunes a los haces recibidos (12, 13) y el tercero (16, 18), (22, 23), (26, 29), (32, 36), (43, 45) (48, 53) esta disociado y pertenece a dos partes dedicadas, cada una, a uno de los dos canales opticos (A, B) del telescopio, comprendiendo, cada una de estas dos partes, al menos un espejo plano (14, 20, 25, 31, 41, 47), (15, 21, 28, 35, 42, 52) en el que los dos canales opticos (A, B) tienen sus ejes opticos disociados, estando los espejos planos (14, 20, 25, 31, 41, 47), (15, 21, 28, 35, 42, 52) de 10 cada canal optico dispuestos de forma que, en el plano de la imagen, las dos lfneas de deteccion (8, 10) de dichos dos canales opticos sean distintas, paralelas entre si, y distantes una distancia no nula, comprendida entre 0 y el valor nominal Dn de la distancia (e) entre las lfneas de deteccion, tal que Dn= f. B/H, siendo f la distancia focal nominal del telescopio, B la anchura de la zona del plano del objeto vista en el plano de la imagen y H la distancia entre el plano del objeto y el dispositivo de imagenologfa.

   15 2. Dispositivo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque comprende, en uno de los dos canales (B), (A) un

   reductor de distancia focal (40), (50).