ES2895474T3 - Aparato de captación de imágenes multiespectrales que comprende una rueda de filtros y procedimiento - Google Patents

Abstract

Aparato (10) de captación de imágenes multiespectrales, que comprende: - una óptica (1, 2) de formación de imagen, adaptada para formar una imagen en un plano (PF) focal; - al menos un sensor (3) de imagen bidimensional, que comprende una superficie fotosensible limitada por un contorno (C3) periférico, y situada en el plano (PF) focal; - una rueda (4) que comprende una pluralidad de filtros (41-46) espectrales, dispuesta para mantener dichos filtros en paralelo a y en las proximidades del plano (PF) focal o de un plano (PI) de imagen intermedia de la óptica (1, 2) de formación de imagen;y - un sistema (5) de accionamiento, dispuesto para hacer girar la rueda (4) alrededor de un eje (A-A) de rotación con el fin de disponer cada uno de los filtros (41-46) en el haz (F) luminoso; en el que al menos uno de los filtros (41-46), denominado filtro de sector angular estrecho, posee una extensión angular que es inferior a una extensión angular de la superficie fotosensible del sensor (3) de imagen cuando los filtros se encuentran en las proximidades del plano (PF) focal, o que es inferior a una extensión angular de una parte (30) del plano (PI) de imagen intermedia que se conjuga ópticamente con la superficie fotosensible completa por una parte (2) de reobtención de imágenes de la óptica de formación de imagen, midiéndose las extensiones angulares con respecto al eje (A-A) de rotación de la rueda (4), estando el sistema (5) de accionamiento adaptado para hacer girar la rueda (4) de manera continuada mientras se captan diversas imágenes sucesivamente por el sensor (3) de imagen; estando el aparato configurado de manera que dicho sensor (3) de imagen comprende una pluralidad de elementos (31) fotosensibles independientes y adaptados para funcionar cada uno según una secuencia de adquisición que comprende sucesivamente al menos una fase de acumulación de señal y una fase de lectura de una señal acumulada; y caracterizado porque el aparato está adaptado de manera que posee un funcionamiento de captación de imágenes para el que se acciona la rueda de manera continuada en rotación por el sistema (5) de accionamiento mientras se captan diversas imágenes sucesivamente por el sensor (3) de imagen, y para el que un ángulo de rotación que está rodeado por la rueda (4) durante una suma de una duración total de la secuencia de adquisición y una duración de fase de acumulación complementaria sea tal que la extensión angular del filtro de sector angular estrecho sea superior a dicho ángulo de rotación.

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato de captación de imágenes multiespectrales que comprende una rueda de filtros y procedimiento

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a un aparato de captación de imágenes multiespectrales, que comprende una rueda de filtros, así como un procedimiento de recogida de una imagen multiespectral.

Estado de la técnica

Existen diversos métodos para captar imágenes multiespectrales utilizando un único aparato de captación de imágenes. Uno de ellos consiste en utilizar diversos filtros espectrales que se interponen de manera alterna en el trayecto de un haz luminoso utilizado para formar cada imagen que se capta. Un aparato de captación de imágenes multiespectrales de este tipo comprende, habitualmente:

- una óptica de formación de imagen, que está adaptada para formar una imagen en un plano focal;

- al menos un sensor de imagen bidimensional, que comprende una superficie fotosensible que se ve limitada por un contorno periférico, y situada en el plano focal;

- una rueda de filtros, que comprende una pluralidad de filtros espectrales sin recubrimientos entre dos filtros próximos; y

- un sistema de accionamiento, que se dispone para hacer girar la rueda alrededor de un eje de rotación, con el fin de disponer cada uno de los filtros en el haz luminoso.

Normalmente, la rueda de filtros se dispone de manera que los filtros estén dispuestos en una pupila de la óptica de formación de imagen. Sin embargo, también se conoce disponer la rueda con el fin de mantener los filtros en un plano de focalización del haz luminoso. Un plano de focalización de este tipo puede corresponder a una imagen intermedia que está formada por la óptica de formación de imagen. En este caso, el plano de focalización se denomina, normalmente, plano de imagen intermedia. Habitualmente, los filtros no se sitúan, de manera exacta, en el plano de imagen intermedia, sino en las proximidades de este plano, para evitar que un defecto que está presente en el filtro aparezca de manera diferente en la imagen que se capta. De manera alterna, el plano de focalización puede ser el plano focal en el que se encuentra la superficie fotosensible del sensor de imagen. La rueda de filtros se sitúa, entonces, en las proximidades inmediatas de la superficie fotosensible, pero con un espacio intermedio para evitar que los filtros hagan contacto con la superficie fotosensible. Para tales aparatos que existen antes de la presente invención, cada imagen se capta por el sensor mientras que uno único de los filtros cubre toda su superficie fotosensible, o bien cubre toda una parte del plano de imagen intermedia que se conjuga ópticamente con la superficie fotosensible completa del sensor de imagen. La rotación de la rueda activa entonces sucesivamente cada filtro en esta posición.

Las figuras 1 y 2 ilustran un aparato de este tipo, con los siguientes significados de las referencias que se indican en estas figuras:

10 aparato de captación de imágenes multiespectrales

1 objetivo

2 sistema de reobtención de imágenes

Z-Z eje óptico del aparato de captación de imágenes multiespectrales

F haz luminoso que forma la imagen captada

3 sensor de imagen

31 elementos fotosensibles del sensor 3 de imagen, correspondientes a los puntos de imagen que se adquieren individualmente durante cada exposición del sensor de imagen

C3 contorno periférico de la superficie fotosensible del sensor 3 de imagen

PF plano focal de la óptica de formación de imagen, en el que se coloca la superficie fotosensible del sensor 3 de imagen

PI plano de imagen intermedia, que constituye un plano de focalización para el haz F luminoso, complementario con respecto al plano PF focal

30 parte del plano PI de imagen intermedia que se conjuga ópticamente por el sistema 2 de reobtención de imágenes con la superficie fotosensible completa del sensor 3 de imagen

C30 límite periférico de la parte 30 del plano PI de imagen intermedia

4 rueda de filtros

A-A eje de rotación de la rueda 4 de filtros

5 sistema de accionamiento en rotación de la rueda 4

41-46 filtros espectrales portados por la rueda 4, por ejemplo, del número de seis

El objetivo 1 y el sistema 2 de reobtención de imágenes constituyen en conjunto la óptica de formación de imagen. Esta óptica puede centrarse a lo largo del eje Z-Z óptico. Para una constitución de este tipo de la óptica de formación de imagen, el objetivo 1 forma una imagen intermedia, en el plano PI, de una escena que está contenida en el campo de entrada de esta óptica, después el sistema 2 de reobtención de imágenes forma a su vez, a partir de esta imagen intermedia, la imagen final en el plano PF focal, que se capta por el sensor 3. El contorno C3 periférico de la superficie fotosensible del sensor 3 se conjuga ópticamente por el sistema 2 de reobtención de imágenes con el límite C30 en el interior del plano PI de imagen intermedia. La rueda 4 se dispone en las proximidades del plano PI de imagen intermedia, con el eje A-A de rotación de la rueda que es paralelo al eje Z-Z óptico. En los aparatos conocidos anteriores a la presente invención, uno de los filtros 41-46 cubre por completo la parte 30 del plano PI intermedia que está situada en el interior del límite C30, para determinadas posiciones predeterminadas de la rueda 4 alrededor del eje A-A. La figura 2 muestra la rueda 4 en la posición en la que el filtro 41 está activo para la imagen que se capta por el sensor 3. Rotaciones adecuadas de la rueda 4 permiten sustituir el filtro 41 en esta posición por uno de los otros filtros 42-46. De este modo, pueden captarse seis imágenes sucesivamente de la misma escena que está contenida en el campo de entrada de la óptica de formación de imagen, para constituir una imagen multiespectral de esta escena con seis componentes espectrales.

A continuación, en la presente descripción, se denomina imagen a un conjunto de valores de lectura de elementos 31 fotosensibles, que resulta de una única exposición de todos los elementos 31 fotosensibles del sensor 3 de imagen. El término de imagen espectral se reserva para designar cada componente espectral de una imagen multiespectral. En un aparato de captación de imágenes multiespectrales que es según las figuras 1 y 2, cada imagen es directamente una imagen espectral.

Sin embargo, un aparato de captación de imágenes multiespectrales de este tipo presenta los siguientes inconvenientes:

- la superficie de cada filtro es bastante grande, y es tanto difícil como costoso producir un filtro de calidad óptica suficiente, exento de defectos puntuales y homogéneo en cuanto a sus características de filtrado, cuya superficie sea grande;

- la duración de adquisición de una imagen multiespectral completa, constituida por diversas captaciones de imágenes espectrales para posiciones diferentes de la rueda de filtros, no puede reducirse por debajo de una duración mínima que viene impuesta por la velocidad de rotación de la rueda de filtros. Sin embargo, utilizar un sistema de accionamiento que sea más rápido, y por tanto con más potencia, provoca vibraciones más importantes que, por otro lado, son molestas;

- el número de filtros que se disponen en la rueda se ve limitado por el tamaño de la misma, y una rueda más grande necesita, asimismo, aumentar la potencia del sistema de accionamiento, para girar la rueda con una velocidad angular que permanezca idéntica;

- la captación de imágenes con alta definición requiere la utilización de sensores cuya superficie fotosensible sea más grande. Los filtros deben entonces, por su parte, ser más grandes, y, por consiguiente, se aplica lo mismo a la rueda que los mantiene;

- la captación de imágenes con alta definición requiere una reducción adicional de las vibraciones del aparato, y en particular las que se producen por el sistema de accionamiento en rotación de la rueda de filtros. Una obligación de este tipo parece, por tanto, contraria al aumento de la potencia del sistema de accionamiento;

- la evolución de las tareas de obtención de imágenes multiespectrales, en particular, en el campo de la obtención de imágenes espaciales, conlleva un aumento del número de filtros; y

- se busca que la duración total de captación de una imagen multiespectral sea lo más corta posible, tanto para aumentar la frecuencia de captación de imágenes multiespectrales, como para reducir los artefactos provocados por el desplazamiento del aparato, o por elementos móviles que se encuentran presentes en la escena adquirida.

El documento US 3.715.473 y el documento US 2.304.081 dan a conocer aparatos de captación de imágenes que comprenden ruedas de filtros.

A partir de esta situación y de nuevas necesidades en cuanto a la obtención de imágenes multiespectrales, la presente invención tiene como objetivo reducir los inconvenientes y las limitaciones anteriormente mencionados de los aparatos anteriores.

Objeto de la invención

Más particularmente, un primer objetivo de la invención consiste en aumentar el número de filtros que se portan por la rueda, sin aumentar el tamaño de la rueda, así como para una rueda de filtros tal como la que se conoce de la técnica anterior.

Un segundo objetivo particular de la invención es permitir una rotación más rápida de la rueda de filtros, sin aumentar significativamente la potencia de su sistema de accionamiento.

Un tercer objetivo particular de la invención es permitir captar más rápidamente imágenes multiespectrales sucesivas.

Finalmente, un cuarto objetivo de la invención es reducir la duración eficaz entre los instantes de captación de dos imágenes espectrales que forman parte de una misma imagen multiespectral, con el fin de reducir los artefactos de color que aparezcan para objetos en desplazamiento en el campo de entrada de la óptica de formación de imagen. Para lograr al menos uno de estos objetivos u otros, un primer aspecto de la invención propone modificar un aparato de captación de imágenes multiespectrales tal como el mencionado anteriormente, en el que los filtros se mantienen por la rueda en paralelo a y en las proximidades del plano focal o del plano de imagen intermedia de la óptica de formación de imagen. Después de las modificaciones que se introducen por la invención, al menos uno de los filtros, denominado filtro de sector angular estrecho, posee una extensión angular que es inferior a la extensión angular de la superficie fotosensible del sensor de imagen cuando los filtros se encuentran en las proximidades del plano focal. De manera alterna, la extensión angular del filtro de sector angular estrecho es inferior a la de una parte del plano de imagen intermedia que se conjuga ópticamente con la superficie fotosensible completa por la parte de reobtención de imágenes de la óptica de formación de imagen. Para ello, las extensiones angulares se miden con respecto al eje de rotación de la rueda.

Dicho de otro modo, al menos uno de los filtros que se porta por la rueda no cubre todo el campo óptico del sensor de imagen cuando se capta una imagen. La superficie de este filtro se reduce de este modo, aunque su fabricación se vea facilitada y su coste se reduzca, para una misma exigencia de calidad óptica del filtro. En efecto, es más fácil fabricar filtros de tamaños reducidos, que carezcan de defectos puntuales, de defectos de planitud y de faltas de homogeneidad de filtrado espectral, con respecto a los filtros que cubren, cada uno, todo el campo óptico del sensor de imagen.

Preferiblemente, el filtro de sector angular estrecho puede estar situado en la rueda entre otros dos filtros, y próximo a los mismos de manera que para cualquier posición de la rueda alrededor del eje de rotación tal como una parte de al menos el filtro de sector angular estrecho sea eficaz para una parte de la imagen contenida en el interior del contorno periférico de la superficie fotosensible del sensor de imagen, entonces una parte de al menos uno de los otros dos filtros es simultáneamente eficaz para otra parte de la misma imagen contenida en el interior del contorno periférico de la superficie fotosensible. Dicho de otro modo, partes de diversos filtros están situadas simultáneamente en el interior del campo óptico del sensor de imagen. La imagen que se capta durante una exposición del sensor contiene, por tanto, una parte de esta imagen que se capta a través de uno de los filtros, y también al menos otra parte de esta misma imagen que se capta a través de otro de los filtros. Una imagen espectral completa, que se filtra de manera uniforme por uno único de los filtros, puede reconstruirse volviendo a unir las partes de imágenes que son relativas a este filtro, y que se han captado durante exposiciones sucesivas del sensor de imagen.

Preferiblemente, la extensión angular del filtro de sector angular estrecho y las extensiones angulares respectivas de los otros dos filtros pueden ser de manera que para al menos una posición de la rueda alrededor del eje de rotación, partes respectivas del filtro de sector angular estrecho y de los otros dos filtros sean eficaces simultáneamente para tres partes separadas de la imagen contenida en el interior del contorno periférico de la superficie fotosensible. Más generalmente, puede ser preferible que las partes respectivas de un número más grande de filtros se encuentren simultáneamente en el campo óptico del detector, con el fin de reducir el tamaño individual de cada filtro. Además, los filtros se aproximan, ventajosamente, entre sí en la rueda, con zonas de la rueda que son mínimas entre dos filtros próximos, para reducir la parte del campo óptico del sensor de imagen que se ve oculta por las zonas de la rueda que están desprovistas de filtro, durante cada exposición.

Una disposición de este tipo de los filtros permite aproximarlos al eje de rotación de la rueda, aunque la rueda puede ser menos grande y más ligera. A una potencia igual del sistema de accionamiento en rotación de la rueda, esta puede girar más rápido, o bien el sistema de accionamiento en rotación puede reducirse al tiempo que se mantiene una velocidad idéntica de rotación de la rueda de filtros.

En realizaciones sencillas de la invención, las extensiones angulares respectivas del filtro de sector angular estrecho y de los otros dos filtros que se encuentran próximos al mismo en la rueda, con respecto al eje de rotación de la rueda y para una misma distancia radial a partir de este eje de rotación, pueden ser iguales.

Los ejemplos en los que el sistema de accionamiento puede adaptarse para disponer la rueda en posiciones sucesivas alrededor del eje de rotación, y para inmovilizarla en cada una de estas posiciones durante al menos una duración de exposición del sensor de imagen no forman parte de la invención tal como se reivindica por las reivindicaciones 1-16.

En las realizaciones de la invención, el sistema de accionamiento puede adaptarse para hacer girar la rueda de manera continuada mientras que diversas imágenes se captan sucesivamente por el sensor de imagen. En este caso, y cuando el sensor de imagen comprende una pluralidad de elementos fotosensibles independientes y adaptados para funcionar cada uno según una secuencia de adquisición que comprende sucesivamente al menos una fase de acumulación de señal y una fase de lectura de una señal acumulada, la extensión angular del filtro de sector angular estrecho puede ser ventajosamente superior a un ángulo de rotación que está rodeado por la rueda durante la suma de una duración total de la secuencia de adquisición y una duración de la fase de acumulación complementaria. De este modo, cada elemento fotosensible del sensor de imagen puede realizar individualmente al menos una secuencia completa de adquisición de valor de punto de imagen, mientras que este elemento se ve expuesto al haz luminoso a través del filtro de sector angular estrecho.

En diversas realizaciones de la invención, pueden implementarse los siguientes perfeccionamientos, de manera independiente o combinando diversos perfeccionamientos entre sí:

- el filtro de sector angular estrecho puede poseer dos bordes rectilíneos que se extienden cada uno radialmente con respecto al eje de rotación de la rueda. Entonces, se facilita su desmontaje, de una placa de filtro más grande que se produce de manera inicial;

- la rueda puede estar dotada de al menos tres filtros correspondientes, respectivamente, a tres ventanas espectrales de filtrado que son diferentes;

- los filtros pueden constituir diversos grupos idénticos. En este caso, los filtros de un mismo grupo pueden encontrarse todos próximos a la rueda de manera que cada grupo de filtros se ensambla en un sector de la rueda sin la intercalación de un filtro que pertenecería a otro grupo;

- el aparato puede comprender además un sistema de localización de la posición de la rueda alrededor del eje de rotación;

- la rueda puede comprender un patrón entre dos filtros que se encuentran próximos, de manera que una posición de este patrón aparezca en una imagen que se capta mientras que las partes respectivas de estos dos filtros próximos son simultáneamente eficaces para las partes independientes de la imagen contenida en el interior del contorno periférico de la superficie fotosensible del sensor de imagen; y

- el sistema de accionamiento y un controlador del sensor de imagen pueden estar adaptados para que dos imágenes que se captan sucesivamente por el sensor presenten un recubrimiento entre las partes respectivas de estas imágenes que se captan a través del mismo de los filtros.

El aparato puede comprender una unidad de reconstrucción de imágenes espectrales, adaptada para producir imágenes espectrales que corresponden cada una a la superficie fotosensible completa del sensor de imagen, produciéndose cada imagen espectral como una yuxtaposición de partes de imágenes que se captan por el sensor de imagen a través del mismo de los filtros durante al menos dos exposiciones diferentes, con una rotación de la rueda entre estas exposiciones. Una unidad de reconstrucción de este tipo puede estar situada en las proximidades del sensor de imagen, con una conexión material que las una entre sí. De manera alterna, la unidad de reconstrucción de imágenes espectrales puede alejarse del sensor de imagen con un sistema de transmisión sin cable que se proporciona para transmitir los datos de imagen entre el sensor de imagen y la unidad de reconstrucción.

Un aparato que es según la invención puede utilizarse, en particular, para una aplicación de obtención de imágenes espacial. En este caso, puede estar adaptado para integrarse a bordo de una aeronave, en un vehículo espacial o en un satélite.

Un aparato puede estar adaptado para obtener imágenes a color. Una imagen a color de este tipo se construye combinando una imagen pancromática, es decir, que se ha captado con una gran ventana espectral, con imágenes que se han captado con ventanas espectrales estrechas y comprendidas en la ventana grande. Para ello, tres de los filtros que se portan por la rueda y que corresponden respectivamente a tres ventanas espectrales de filtrado diferentes, son el filtro de sector angular estrecho y los denominados otros dos filtros ya mencionados anteriormente. La rueda comprende entonces al menos un filtro espectral complementario que posee una ventana espectral grande que comprende las del filtro de sector angular estrecho y de los denominados otros dos filtros. Este filtro espectral complementario posee en sí mismo una extensión angular que es superior a la extensión angular de la superficie fotosensible del sensor de imagen cuando los filtros se encuentran en las proximidades del plano focal, o que es superior a la extensión angular de la parte del plano de imagen intermedia que se conjuga ópticamente con la superficie fotosensible completa por la parte de reobtención de imágenes de la óptica de formación de imagen, midiéndose, asimismo, la extensión angular del filtro espectral complementaria con respecto al eje de rotación de la rueda. El filtro espectral complementario es el filtro pancromático, y cada imagen pancromática puede captarse, de este modo, durante una única secuencia de adquisición que se ejecuta por el sensor de imagen mientras la rueda está inmovilizada.

Un segundo aspecto de la invención propone un procedimiento de recogida de una imagen multiespectral, que comprende la recepción en una estación instalada en la Tierra, datos de imágenes relacionados con imágenes captadas por un aparato según el primer aspecto de la invención, encontrándose este aparato integrado a bordo de una aeronave en vuelo, en un vehículo espacial situado en el espacio o en un satélite en órbita cuando las imágenes se han captado. Los datos de imágenes se trasmiten, entonces, mediante radiación electromagnética o mediante señales de láser a partir de la aeronave, vehículo espacial o satélite a la estación en la Tierra.

Un procedimiento de recogida de este tipo puede comprender la etapa de reconstrucción de imágenes espectrales que forman, en conjunto, la imagen multiespectral. Durante esta etapa de reconstrucción, cada imagen espectral correspondiente a la superficie fotosensible completa del sensor de imagen, se produce como una yuxtaposición de partes de imágenes que se captan por el sensor de imagen a través de uno mismo de los filtros durante al menos dos exposiciones diferentes, con una rotación de la rueda entre estas exposiciones. Una etapa de reconstrucción de este tipo puede realizarse a bordo de la aeronave, del vehículo espacial o del satélite, pero puede realizarse, preferiblemente, en la Tierra a partir de los datos de imágenes que se reciben en la estación.

Finalmente, para la obtención de imágenes a color, la rueda está equipada con un filtro pancromático además de tres filtros con ventanas espectrales estrechas presentadas más arriba según la invención. El procedimiento comprende entonces, además, una etapa de coloración durante la que las imágenes espectrales que se han captado respectivamente a través del filtro de sector angular estrecho y los denominados otros dos filtros se combinan con una imagen que se ha captado con el filtro espectral complementario. De este modo, se obtiene una imagen enriquecida, denominada a color, que posee una información espectral que es directamente visible para un observador de esta imagen enriquecida.

Descripción de las figuras

Otras particularidades y ventajas de la presente invención se desprenden de la siguiente descripción de los ejemplos de realización no limitativos, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1, ya descrita, representa simbólicamente un aparato de captación de imágenes multiespectrales tal como el conocido antes de la invención, y que puede modificarse según la presente invención;

- la figura 2, ya descrita, representa una rueda de filtros tal como la conocida antes de la presente invención;

- las figuras 3a a 3d representan cuatro ruedas de filtros según la presente invención; y

- la figura 4 ilustra una utilización posible de un aparato de captación de imágenes multiespectrales según la invención.

Descripción detallada de la invención

Por motivos de claridad, las dimensiones de los elementos que se representan en estas figuras no corresponden ni a las dimensiones reales ni a relaciones de dimensiones reales. Además, las referencias idénticas que se indican en las figuras diferentes designan elementos idénticos o que presentan funciones idénticas.

En un aparato 10 de captación de imágenes multiespectrales tal como el representado en la figura 1, la rueda de filtros de la figura 2 puede sustituirse por una de las ruedas de las figuras 3a a 3c, para aplicar la invención.

Se entiende que, aunque el objetivo 1 y el sistema 2 de reobtención de imágenes se representen cada uno con la forma de una única lente, pueden presentar cualquier constitución, basada en una o diversas lentes, uno o diversos espejos, o posiblemente una combinación de al menos una lente y al menos un espejo.

Por ejemplo, la rueda 4 de la figura 3a puede utilizarse en el aparato de la figura 1. Comprende diversos filtros con referencias 41...46..., que son eficaces en cuanto a transmisión y que pueden presentar formas de desmontaje que son idénticas. Cada filtro puede ocupar un sector angular que está comprendido entre dos radios derivados del eje A-A de rotación, y estar comprendido entre el medio de la rueda 4 y un borde periférico circular de la misma. La anchura del sector angular de cada filtro, que se indica como a en la figura 3a, puede ser inferior a 15° (grados), incluso inferior a 10°, por ejemplo, igual a 4° aproximadamente. Además, dos filtros próximos pueden aproximarse angularmente entre sí, también siendo posible en función del modo de mantenimiento de los filtros en la rueda, pero sin recubrimiento entre los mismos.

En una realización de este tipo de la invención, al menos dos de los filtros 41...46... siempre están superpuestos simultáneamente con la parte 30 del plano PI, que corresponde a la imagen captada por el sensor 3. Una superposición de este tipo se ilustra en las figuras 3a a 3c indicando el límite C30 que se conjuga con el contorno C3 periférico de la superficie fotosensible del detector 3.

Pueden utilizarse diversos modos de captación de una imagen multiespectral de manera alterna, en función de las órdenes que se aplican al sistema 5 de accionamiento y al sensor 3 de imagen.

Según un primer funcionamiento de un aparato no incluido en la invención tal como se reivindica por las reivindicaciones 1-16, la rueda 4 puede inmovilizarse mientras se capta cada imagen por el sensor 3, y se gira entre dos captaciones de imágenes sucesivas. Para ello, las imágenes deben captarse con periodos respectivos de exposición del sensor de imagen que estén separados en el tiempo. Entonces, las partes de imágenes que pertenezcan a dos imágenes captadas sucesivamente, correspondientes a uno mismo de los filtros, pueden presentar, ventajosamente, un recubrimiento con respecto a la escena observada. Para ello, la rotación de la rueda 4 entre las dos imágenes es inferior a la anchura a de cada uno de los sectores angulares ocupados por los filtros 41­ 46. Gracias a tales recubrimientos, las partes de imágenes que están asociadas a un mismo filtro, que están derivadas de imágenes captadas de manera independiente, pueden conjugarse fácilmente en forma de una imagen espectral continua. Esta forma entonces uno de los componentes de la imagen multiespectral. Habitualmente, los recubrimientos pueden presentar por su parte una anchura angular individual que es inferior a un décimo de la anchura a. La rotación de la rueda 4 entre dos exposiciones sucesivas del sensor 3 de imagen, es inferior a la que es necesaria con una rueda de filtros tal como la representada en la figura 2. Las dos exposiciones sucesivas del conjunto del sensor 3 de imagen pueden ejecutarse de este modo con un tiempo de llegada intermedio que es más corto, aunque la imagen multiespectral se adquiere, de manera global, más rápidamente. Esta duración global de adquisición que se reduce para la imagen multiespectral completa, es particularmente ventajosa cuando el aparato y la escena observada se encuentran en movimiento uno con respecto a otro. Una situación de este tipo existe en particular para imágenes de la Tierra que se captan a partir de un satélite no geoestacionario, por ejemplo, un satélite en órbita baja.

Por otro lado, puede ser útil conocer o confirmar cuál de los filtros 41-46 es eficaz para cada parte de una imagen tal como la captada por el sensor 3. Una primera posibilidad para ello consiste en utilizar un sistema adicional de localización de la posición angular de la rueda 4. Tales sistemas se conocen bien por el experto en la técnica. Pueden estar integrados en el sistema 5 de accionamiento, o bien ser independientes con respecto al mismo. Otra posibilidad consiste en añadir patrones 40 a la rueda 4, en entornos de la rueda que están situados entre filtros próximos. Teniendo en cuenta que la rueda 4 es próxima al plano PI de imagen intermedia, cada patrón 40 puede aparecer de manera diferente en la imagen que se capta por el sensor 3, cuando la rueda 4 se encuentra en una posición tal que este patrón se encuentra en el campo óptico del sensor 3. En el interior de la imagen captada, el patrón 40 permite identificar de manera precisa la posición de la rueda 4, y determinar qué filtro ha sido eficaz en cada parte de la imagen. Por ejemplo, cada patrón 40 puede ser un orificio que se haya perforado en la rueda 4, a una distancia radial medida a partir del eje A-A que varía en función de los dos filtros que se encuentran próximos a este patrón (véase la figura 3a).

Según el funcionamiento de un aparato según la invención, la rueda 4 puede accionarse de manera continuada en rotación, con una velocidad angular que puede ser constante, pero no necesariamente. Un funcionamiento continuo de este tipo reduce las vibraciones que se generan por la rueda 4 y su sistema 5 de accionamiento. En este caso, para cada imagen que se capta por el sensor 3, determinados elementos 31 fotosensibles del sensor 3 pueden haber estado expuestos solo parcialmente al haz F luminoso a través de uno de los filtros. Dicho de otro modo, un borde de uno de los filtros 41-46, que es paralelo a una dirección radial de la rueda 4, puede haber invadido la sección de entrada del flujo luminoso en uno de los elementos 31 fotosensibles durante la fase de acumulación de este elemento. La medición del flujo luminoso que se produce entonces por este elemento 31 fotosensible se ve alterada, incluso no resulta significativa. Entonces, puede resultar ventajoso limitar la velocidad de rotación de la rueda 4 para que cada elemento 31 fotosensible pueda producir de manera válida al menos una medición de flujo luminoso en cada paso de uno de los filtros 41-46 en el campo óptico individual de este elemento, sin que un borde del filtro invada el campo individual. La situación más desfavorable se produce cuando un borde de un filtro que llega de nuevo invade el campo óptico de uno de los elementos 31 justo después de que este elemento haya comenzado una nueva secuencia de adquisición. Cada filtro puede extenderse lo suficiente angularmente para que el elemento 31 pueda finalizar la secuencia de adquisición ya iniciada, después ejecutar por completo la fase de acumulación de la siguiente secuencia de adquisición, antes de que el borde de extremo del filtro alcance a su vez el campo óptico del elemento 31. Dicho de otro modo, la anchura a del sector angular que se ocupa por el filtro es ventajosamente superior al ángulo de rotación que está rodeado por la rueda 4 durante una duración igual a la suma de la duración total de la secuencia de adquisición que va a finalizar, y a la duración de la fase de acumulación de la siguiente secuencia de adquisición. De manera conocida, el funcionamiento de adquisición de un elemento fotosensible del sensor de imagen comprende una fase de acumulación durante la que una señal eléctrica se acumula de manera proporcional con respecto al flujo luminoso que se recibe durante una duración de acumulación fija, después una fase de lectura durante la que se detecta la amplitud de la señal acumulada, después el elemento fotosensible se reinicia. Sin embargo, no resulta indispensable que todos los elementos 31 fotosensibles se vean expuestos a través de cada uno de los filtros durante una fase de acumulación completa en cada giro de la rueda 4. Estos elementos fotosensibles que se han visto expuestos de manera válida al haz F luminoso pueden seleccionarse, y únicamente las señales de lectura que se han producido por los elementos fotosensibles de esta selección pueden conservarse. Estos elementos 31 fotosensibles que no se han visto expuestos de manera válida a través de uno de los filtros durante un giro de la rueda 4, se expondrán preferiblemente de manera prioritaria a través de este filtro durante un giro posterior de la rueda, o durante un paso posterior de la rueda con un filtro de mismas características espectrales. Finalmente, puede adoptarse un orden cronológico de control de los elementos fotosensibles, para que al menos determinados elementos fotosensibles ejecuten la secuencia de adquisición de manera que se sincroniza con respecto a las transiciones entre los filtros.

Los patrones 40 para localizar la posición angular de la rueda 4 pueden utilizarse incluso cuando se impone una rotación continua por el sistema 5 de accionamiento.

Tal como para el modo de funcionamiento con parada de la rueda 4 cuando se capta una imagen, puede ser ventajoso, asimismo, cuando la rotación de la rueda 4 es continua mientras se captan diversas imágenes de manera seguida, que las partes de imágenes que son relativas a un mismo filtro pero que pertenezcan a imágenes captadas sucesivamente, tengan entre sí recubrimientos.

En la rueda de filtros de la figura 3a, cada uno de los filtros 41-46 posee dos bordes rectilíneos que se extienden radialmente en la rueda 4. La figura 3b muestra otra configuración para la rueda de filtros que es compatible con la invención. Esta otra configuración puede derivarse de la de la figura 3a, aplicando a la rueda una deformación por rotación alrededor del eje A-A, con una amplitud de rotación que es variable en función de la distancia radial medida a partir del eje A-A. La rueda de filtros de la figura 3b se obtiene de esta manera, con una amplitud de deformación por rotación que crezca progresivamente en función de la distancia radial.

En las ruedas de filtros de las figuras 3a y 3b, todos los filtros pueden ser diferentes, es decir, que correspondan a ventanas espectrales de transmisión que son diferentes unas con respecto a otras. Según una alternativa de realización de la invención, los filtros idénticos pueden repetirse de manera cíclica alrededor del eje A-A de rotación en una misma rueda. Por ejemplo, la serie ordenada de los filtros 41 a 45 se repite en la rueda de la figura 3c, progresivamente girando alrededor del eje A-A.

Para los dos funcionamientos de captación de imágenes que se han descrito anteriormente, con parada de la rueda 4 durante cada exposición del sensor 3 o bien girando de manera continuada la rueda 4 mientras se realizan diversas adquisiciones, las imágenes espectrales se reconstruyen, entonces, a partir de las imágenes adquiridas por el sensor 3. Para ello, para cada uno de los filtros 41-46, se extraen partes de imágenes que corresponden a este filtro en las imágenes adquiridas sucesivamente por el sensor 3. Estas partes de imagen se unen entonces en una única imagen espectral que corresponde a este filtro. Esta imagen espectral cubre preferiblemente la totalidad del campo óptico del sensor 3, sin bandas que faltarían entre dos partes de imagen próximas. Para garantizar que cada imagen espectral se complete de este modo, resulta ventajoso prever los recubrimientos entre las partes de imágenes que ya se han descrito.

Según la figura 4, el aparato 10 de captación de imágenes multiespectrales puede estar integrado en un satélite 11 que se encuentra en órbita alrededor de la Tierra, denominada T. El eje Z-Z óptico del aparato 10 apunta en la dirección de la zona de la superficie terrestre que quiere observarse. Los datos de imágenes, denominados D en la figura, que se producen por el sensor de imagen en cada exposición se transmiten a una estación 12 de recepción en la Tierra, o bien directamente o bien por medio de un satélite de relé. Puede utilizarse uno de los modos conocidos para transmitir tales datos a través de la atmósfera terrestre, tal como la transmisión por radio o la transmisión por señales láser. La reconstrucción de imágenes espectrales se realiza por una unidad dedicada que puede integrarse de manera alterna en el satélite 11, o estar situada en la Tierra. Esta segunda solución puede preferirse, para reducir la carga y el consumo energético del satélite 11. En este caso, los datos D que se transmiten entre el satélite 11 y la estación 12 de recepción se refieren a imágenes tales como las captadas por el sensor 3.

Por ejemplo, para una tarea de vigilancia desde el espacio, en particular a partir de un satélite geoestacionario, puede utilizarse una rueda de filtros que es según la invención e ilustrada en la figura 3d. Las referencias 41 a 43 designan adicionalmente filtros de sector angular estrecho, correspondientes cada uno a una ventana espectral de transmisión que es estrecha. Por este motivo, los filtros 41-43 se denominan monocromáticos. Por ejemplo, el filtro 41 transmite el color azul, el filtro 42 el color verde, el filtro 43 el color rojo, etc. para un número cualquiera de filtros monocromáticos. Los filtros 51 y 52 se denominan pancromáticos, dado que corresponden a una gran ventana espectral de transmisión, que puede comprender las ventanas espectrales de los filtros 41-43 monocromáticos. Preferiblemente, los filtros 51 y 52 pancromáticos son suficientemente grandes para cubrir cada uno todo el campo óptico del sensor de imagen. Las referencias C30-1 y C30-2 corresponden al límite C30 para dos posiciones de la rueda 4, para cada una de las que el filtro 51 o 52 pancromático, respectivamente, está activo para cualquier imagen que se capta por el sensor durante una misma secuencia de adquisición. Posiblemente, puede proporcionarse un único filtro pancromático en la rueda 4. Un método ventajoso de obtención de imágenes o de vídeo a color, utilizando un aparato de este tipo, puede comprender entonces las siguientes etapas:

/1/ en primer lugar, se inmoviliza la rueda 4 en la posición C30-1, y entonces puede estabilizarse el direccionamiento del eje Z-Z óptico hacia una zona reducida en la superficie de la Tierra, por ejemplo, durante una decena de segundos;

/2/ después, se hace girar de manera continuada la rueda 4 de manera que los filtros 41-43 monocromáticos desfilen delante del sensor de imagen, preferiblemente, sin sobrepasar la velocidad máxima que se define por la anchura angular de cada filtro con el fin de que cada elemento fotosensible del sensor pueda realizar una secuencia completa de adquisición para cada uno de los filtros 41-43. El sensor de imagen realiza entonces diversas secuencias de adquisición encadenadas mientras la rueda 4 gira;

/3/ la rueda 4 se detiene en la posición C30-2, y se realiza una adquisición de la zona reducida en vídeo durante una duración de observación deseada, por ejemplo, de al menos 10 minutos; después

/4/ las imágenes espectrales que se han captado en la etapa /2/ se utilizan para colorear la imagen pancromática que se ha captado en la etapa /3/.

En el caso de una vigilancia en tiempo real, es necesario disponer de la adquisición de los colores antes del vídeo: la etapa /2/ se ejecuta antes de la etapa /3/. Por el contrario, si la visualización en tiempo real no es obligatoria, la adquisición de los colores puede realizarse después de la del vídeo: la etapa /2/ puede ejecutarse entre las etapas /3/ y /4/. La estabilización del direccionamiento también puede omitirse en este último caso. De manera general para un procedimiento de vigilancia por vídeo con colores de este tipo, las rotaciones de la rueda 4 que se realizan para las etapas /1/ a /3/ pueden realizarse en un sentido constante, o con idas y venidas alternas.

Se entiende que la invención puede reproducirse adaptándola con respecto a las realizaciones que acaban de describirse y tal como se definen por las reivindicaciones 1 a 16. En particular, pueden implementarse las siguientes adaptaciones:

- cada filtro puede presentar cualquier forma;

- los filtros pueden encontrarse próximos de dos en dos en la rueda de manera que diversos filtros siempre se encuentren simultáneamente en el campo óptico del sensor de imagen;

- los filtros solo pueden ocupar una parte reducida de la rueda, y la parte complementaria de la rueda puede dedicarse a otra función distinta al filtrado espectral;

- la rueda de filtros puede situarse justo delante del sensor de imagen, ya que la superficie fotosensible de este último está situada a nivel del plano focal de la óptica de formación de imagen, que es un plano de focalización del haz luminoso. En este caso, no es necesario que la óptica comprenda un sistema de reobtención de imágenes; - la invención puede aplicarse a filtros que sean eficaces en cualquier campo espectral, así como a un número cualquiera de filtros diferentes. En particular, puede ser ventajoso para el caso de filtros de dos tipos únicamente, que se alternen en la rueda en forma de sectores angulares estrechos. En efecto, la obtención de tales filtros estrechos con una calidad impuesta se ve facilitada por la reducción de la superficie individual de cada filtro; y - finalmente, la invención es compatible con sensores de imagen matriciales que se encuentran comercialmente disponibles. Por ejemplo, para una aplicación aeroportada, en particular, cuando el aparato se integra en un dron, un sensor matricial rápido, es decir, que sea capaz de captar imágenes a una frecuencia de 120 Hz (hercios) o más, puede proporcionar al menos diez imágenes multiespectrales por segundo en el caso de una decena de bandas espectrales.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. Aparato (10) de captación de imágenes multiespectrales, que comprende:

- una óptica (1, 2) de formación de imagen, adaptada para formar una imagen en un plano (PF) focal;

- al menos un sensor (3) de imagen bidimensional, que comprende una superficie fotosensible limitada por un contorno (C3) periférico, y situada en el plano (PF) focal;

- una rueda (4) que comprende una pluralidad de filtros (41-46) espectrales, dispuesta para mantener dichos filtros en paralelo a y en las proximidades del plano (PF) focal o de un plano (PI) de imagen intermedia de la óptica (1, 2) de formación de imagen;y

- un sistema (5) de accionamiento, dispuesto para hacer girar la rueda (4) alrededor de un eje (A-A) de rotación con el fin de disponer cada uno de los filtros (41-46) en el haz (F) luminoso;

en el que al menos uno de los filtros (41-46), denominado filtro de sector angular estrecho, posee una extensión angular que es inferior a una extensión angular de la superficie fotosensible del sensor (3) de imagen cuando los filtros se encuentran en las proximidades del plano (PF) focal, o que es inferior a una extensión angular de una parte (30) del plano (PI) de imagen intermedia que se conjuga ópticamente con la superficie fotosensible completa por una parte (2) de reobtención de imágenes de la óptica de formación de imagen, midiéndose las extensiones angulares con respecto al eje (A-A) de rotación de la rueda (4),

estando el sistema (5) de accionamiento adaptado para hacer girar la rueda (4) de manera continuada mientras se captan diversas imágenes sucesivamente por el sensor (3) de imagen;

estando el aparato configurado de manera que dicho sensor (3) de imagen comprende una pluralidad de elementos (31) fotosensibles independientes y adaptados para funcionar cada uno según una secuencia de adquisición que comprende sucesivamente al menos una fase de acumulación de señal y una fase de lectura de una señal acumulada; y

caracterizado porque el aparato está adaptado de manera que posee un funcionamiento de captación de imágenes para el que se acciona la rueda de manera continuada en rotación por el sistema (5) de accionamiento mientras se captan diversas imágenes sucesivamente por el sensor (3) de imagen, y para el que un ángulo de rotación que está rodeado por la rueda (4) durante una suma de una duración total de la secuencia de adquisición y una duración de fase de acumulación complementaria sea tal que la extensión angular del filtro de sector angular estrecho sea superior a dicho ángulo de rotación.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que el filtro de sector angular estrecho está situado en la rueda (4) entre otros dos filtros, y próximo a dichos otros dos filtros de manera que para cualquier posición de la rueda alrededor del eje (A-A) de rotación tal como una parte al menos del filtro de sector angular estrecho sea eficaz para una parte de la imagen contenida en el interior del contorno (C3) periférico de la superficie fotosensible del sensor (3) de imagen, una parte de al menos uno de dichos otros dos filtros es simultáneamente eficaz para otra parte de la misma imagen contenida en el interior del contorno periférico de la superficie fotosensible.

3. Aparato según la reivindicación 2, en el que la extensión angular del filtro de sector angular estrecho y las extensiones angulares respectivas de dichos otros dos filtros son tales que para al menos una posición de la rueda (4) alrededor del eje (A-A) de rotación, las partes respectivas del filtro de sector angular estrecho y dichos otros dos filtros son simultáneamente eficaces para tres partes independientes de la imagen contenida en el interior del contorno (C3) periférico de la superficie fotosensible.

4. Aparato según la reivindicación 2 o 3, en el que las extensiones angulares respectivas del filtro de sector angular estrecho y de dichos otros dos filtros, con respecto al eje (A-A) de rotación de la rueda (4) y para una misma distancia radial a partir de dicho eje de rotación, son iguales.

5. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el filtro de sector angular estrecho posee dos bordes rectilíneos que se extienden cada uno radialmente con respecto al eje (A-A) de rotación de la rueda (4).

6. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la rueda (4) está dotada de al menos tres filtros (41-46) correspondientes respectivamente a tres ventanas espectrales de filtrado que son diferentes.

7. Aparato según la reivindicación 6 junto con la reivindicación 3 o 4, en el que los tres filtros que corresponden respectivamente a las tres ventanas espectrales de filtrado que son diferentes, son el filtro de sector angular estrecho y dichos otros dos filtros, y la rueda (4) comprende al menos un filtro (51) espectral complementario que posee una ventana espectral que comprende las ventanas espectrales del filtro de sector angular estrecho y dichos otros dos filtros,

Y dicho filtro espectral complementario posee, por su parte, una extensión angular que es superior a la extensión angular de la superficie fotosensible del sensor (3) de imagen cuando los filtros se encuentran en las proximidades del plano (PF) focal, o que es superior a la extensión angular de la parte (30) del plano (PI) de imagen intermedia que se conjuga ópticamente con la superficie fotosensible completa por la parte (2) de reobtención de imágenes de la óptica de formación de imagen, midiéndose, asimismo, la extensión angular del filtro espectral complementario con respecto al eje (A-A) de rotación de la rueda (4).

8. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los filtros (41-45) constituyen diversos grupos idénticos, y los filtros de un mismo grupo se encuentran todos próximos en la rueda (4) de manera que cada grupo de filtros se ensambla en un sector de la rueda sin la intercalación de un filtro que pertenecería a otro grupo.

9. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, un sistema de localización de la posición de la rueda (4) alrededor del eje (A-A) de rotación.

10. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la rueda (4) comprende un patrón (40) entre dos filtros (41-46) que se encuentran próximos en dicha rueda, de manera que una posición de dicho patrón aparezca en una imagen que se capta mientras que partes respectivas de dichos dos filtros próximos son simultáneamente eficaces para partes independientes de la imagen contenida en el interior del contorno periférico de la superficie fotosensible del sensor (3) de imagen.

11. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el sistema (5) de accionamiento y un controlador del sensor (3) de imagen están adaptados de manera que dos imágenes que se captan sucesivamente por el sensor presentan un recubrimiento entre partes respectivas de dichas imágenes que se captan a través de uno mismo de los filtros (41-46).

12. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además:

- una unidad de reconstrucción de imágenes espectrales, adaptada para producir imágenes espectrales que corresponden cada una a la superficie fotosensible completa del sensor (3) de imagen, produciéndose cada imagen espectral como una yuxtaposición de partes de imágenes captadas por el sensor de imagen a través de uno mismo de los filtros (41-46) durante al menos dos exposiciones diferentes, con una rotación de la rueda (4) entre dichas exposiciones.

13. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, adaptado para integrarse a bordo de una aeronave, de un vehículo espacial o de un satélite (11).

14. Procedimiento de recogida de una imagen multiespectral, que comprende recibir en una estación (12) instalada en la Tierra (T), datos (D) de imágenes relacionados con imágenes captadas por un aparato (10) según la reivindicación 13, estando dicho aparato a bordo de la aeronave en vuelo, del vehículo espacial situado en el espacio o en el satélite (11) en órbita cuando las imágenes se captan, y transmitiéndose dichos datos de imágenes por radiación electromagnética o por señales láser a partir de dicha aeronave, vehículo espacial o satélite a la estación en la Tierra, directamente o por medio de un satélite de relé.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, que comprende una etapa de reconstrucción de imágenes espectrales que forman en conjunto dicha imagen multiespectral, durante la que cada imagen espectral correspondiente a la superficie fotosensible completa del sensor (3) de imagen, se produce como una yuxtaposición de partes de imágenes captadas por el sensor de imagen a través de uno mismo de los filtros (41-46) durante al menos dos exposiciones diferentes, con una rotación de la rueda (4) entre dichas exposiciones, realizándose dicha etapa de reconstrucción en la Tierra (T) a partir de datos (D) de imágenes recibidos en la estación (12).

16. Procedimiento según la reivindicación 15, según el que el aparato (10) de captación de imágenes multiespectrales es según la reivindicación 7, y el procedimiento comprende, además, una etapa de coloración durante la que las imágenes espectrales captadas respectivamente a través del filtro de sector angular estrecho y dichos otros dos filtros se combinan con una imagen captada con el filtro (51) espectral complementario, con el fin de obtener una imagen enriquecida que posee una información espectral visible para un observador de dicha imagen enriquecida.