Espectrómetros de imagen offner

Resum

Una fotografía RGB convencional ofrece información acerca de una escena en tres bandas espectrales anchas proporcionando una información espectral limitada para cada punto de la escena. Por otra parte, un sensor hiperespectral o espectrómetro de imagen es un dispositivo que recoge información espectral en cientos de bandas contiguas y espectralmente estrechas. Los sensores hiperespectrales tienen muchas aplicaciones en diversas áreas como agricultura, geología, oceanografía, silvicultura, medicina, colorimetría, seguridad o aplicaciones militares entre otras. Son utilizados para realizar muchas tareas diferentes, tales como identificación de objetos, diagnóstico clínico, detección de blancos, control de procesos o evaluación ambiental. La mayor parte de los sistemas hiperespectrales existentes fueron construidos pensando en aplicaciones desde satélites y/o aviones sobrevolando a gran altitud. No obstante, el desarrollo específico de estas tecnologías permite su uso en muchas otras aplicaciones con menor presupuesto. En este contexto, el objetivo de este proyecto de tesis es el diseño, montaje y análisis de espectrómetros de imágenes concéntricos de bajo coste, autónomos y precisos, que permitan extraer y analizar la información espectral de una escena y que puedan ser utilizados en diferentes aplicaciones. Los sensores hiperespectrales se pueden clasificar en función de los modos de adquisición de imágenes (whiskbroom, pushbroom, framing o windowing) o el método usado para el procesamiento espectral (elementos dispersivos, sistemas basados en filtros o espectrómetros por transformada de Fourier). Este trabajo se centra principalmente en el diseño, montaje y caracterización de varias configuraciones de espectrómetros de imagen tipo Offner, un espectrómetro de imagen dispersivo tipo pushbroom. Un sistema pushbroom escanea la escena con una rendija de forma que la imagen es procesada línea por línea. Un espectrómetro dispersivo utiliza elementos dispersivos (redes de difracción o prismas) para separar la radiación electromagnética entrante en diferentes ángulos, de forma que el espectro es focalizado en lugares distintos a lo largo de una dimensión sobre una matriz de detectores. Un espectrómetro de imagen Offner estándar se compone de tres superficies esféricas y concéntricas: dos espejos cóncavos y una red de difracción convexa clásica (con surcos equiespaciados). En un diseño optimizado, este sistema concéntrico tiene buena resolución y baja distorsión tanto en la dimensión espacial como en la dimensión espectral. El trabajo presentado en este proyecto de tesis permite la construcción de espectrómetros de imágenes Offner de alta calidad y bajo coste mediante métodos rápidos y eficientes de diseño, montaje y caracterización. Dos montajes de laboratorio de dos diseños basados en modelos analíticos se han realizado mostrando unas altas resoluciones espectrales y espaciales y bajas distorsiones sin el uso de redes de difracción corregidas en aberraciones ni elementos asféricos. La tesis está dividida en cinco capítulos. En el primer capítulo se incluye una descripción general de la espectrometría de imagen, se presenta el espectrómetro de imagen Offner y se exponen las motivaciones y objetivos de este trabajo. El segundo capítulo contiene una descripción de los fundamentos teóricos, modelos y técnicas analíticas utilizadas para diseñar espectrómetros de imagen concéntricos tipo Offner, y se presentan dos diseños creados mediante este procedimiento. Una vez que las técnicas de diseño han sido descritas y corroboradas numéricamente, el tercer capítulo incluye los materiales y los pasos seguidos para construir y alinear los dos prototipos de laboratorio de espectrómetros de imagen Offner presentados en las últimas secciones del capítulo anterior. El cuarto capítulo detalla las técnicas utilizadas para la calibración espectral y caracterización óptica y contiene la presentación y discusión de los resultados de los prototipos construidos. Por último, el capítulo 5 incluye las conclusiones generales del trabajo realizado.