Capture d'information par spectroscopie par imagerie

L'imagerie consiste en la visualisation d'un objet. Dans une bande spectrale spécifique, elle permet de visualiser des aspects spécifiques d'un objet qui sont invisibles à l'œil nu. La spectroscopie capture des informations relatives à des aspects spécifiques d'un objet sans visualisation. La spectroscopie par imagerie allie le potentiel de l'imagerie et de la spectroscopie.

Ce blog fait partie d'une série. Il aborde certaines connaissances de base avant d'explorer des technologies de détection avancées spécifiques, comme l’imagerie hyperspectrale.

Imagerie

L'œil humain est sensible aux longueurs d'onde rouge, vert et bleu. La partie du spectre électromagnétique qui est visible à l'œil humain est, pour des raisons évidentes, appelée 'spectre visible'. Le pendant technologique de l'œil humain est un appareil photo numérique dont la sensibilité est conçue pour culminer aux longueurs d'onde vertes, tout comme l'œil humain. 

Combinaison des données d'image rouges, vertes et bleues pour former une image couleur numérique 
(Source : Chem. Soc. Rev., 2014,43, 8200 : http://northernani.com)

Visualiser des aspects qui seraient normalement invisibles

L’imagerie dans une bande spectrale spécifique permet de visualiser des aspects spécifiques d'un objet qui sont invisibles à l'œil nu. Les humains sont pratiquement aveugles en dehors du spectre visible. Certains animaux peuvent toutefois visualiser des objets dans des longueurs d'onde extérieures au spectre visible. Ainsi, les serpents voient les signatures thermiques dans le spectre infrarouge (IR) et les abeilles repèrent le nectar dans le spectre ultraviolet (UV). Le parallèle dans le spectre IR est constitué par les caméras thermographiques bien connues. Celles-ci possèdent une gamme d'applications qui va des détecteurs de mouvement à faible coût aux caméras thermiques à refroidissement qui servent par exemple à tester la qualité des pneus de voitures. En ce qui concerne les UV, les exemples vont des caméras UV de vision industrielle à faible coût utilisées pour l'inspection aux caméras de qualité scientifique, plus coûteuses.

L'imagerie n'est pas non plus spécifique à une certaine plage de longueurs d'onde. Certaines espèces, comme les hiboux et les requins, ne détectent pas certaines longueurs d'onde, ce qui les rend daltoniennes. Au lieu de cela, ils ont évolué de façon à visualiser les variations d'intensité, comme le fait une caméra à nuances de gris. 


Les données d'une image en nuances de gris sont collectées à partir d'un seul canal
(Source: Chem. Soc. Rev., 2014,43, 8200 : http://northernani.com)

Les systèmes d'imagerie peuvent exploiter différents phénomènes. Tous les systèmes d'imagerie ne sont pas de nature optique. Dans le spectre électromagnétique, la région optique va de l’ultraviolet à l’infrarouge. En outre, tous les systèmes d'imagerie ne sont pas basés sur des phénomènes électromagnétiques. Par exemple, la tomographie par émission de positrons (TEP) utilise les rayons gamma, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) emploie les champs magnétiques et les ondes radioélectriques, et l’échographie exploite pour sa part les ondes sonores. Certaines techniques de microscopie sont basées sur la détection de fluorescence, la microscopie de polarisation repose sur la lumière polarisée, et ainsi de suite.

Spectroscopie

La spectroscopie consiste à capturer des informations sur un objet sans visualisation. Il s’agit d’une technique très différente de l'imagerie, car elle capture l'information à partir d'un phénomène d'interaction d’ondes électromagnétiques avec un composé aux niveaux moléculaire et atomique, sans visualisation réelle.

Titbit : les spectres absorbés ou émis par un composé sont dispersés dans ses longueurs d'onde constitutives par un spectroscope. Un spectroscope peut ainsi identifier la présence d'une longueur d'onde. L'exemple le plus simple d'un spectroscope est un prisme.

La spectroscopie permet d'identifier les composés purs. L'interaction des longueurs d'ondes électromagnétiques avec la matière génère une réponse identique pour des molécules ou des atomes identiques. Cette réponse est baptisée 'signature spectrale' de l'espèce (chimique). Toute variation dans la composition moléculaire ou atomique d'un matériau génère une réponse possédant les signatures spectrales correspondantes. Dès lors, l'emploi de signatures spectrales permet d'identifier de façon unique les composés. La spectroscopie est donc un outil utile pour les mesures qualitatives et quantitatives des composés.

La spectroscopie dans une bande spectrale précise fournit des informations sur des aspects spécifiques d'un objet. En spectroscopie, comme en imagerie, les identificateurs uniques d'une caractéristique précise peuvent être présents dans une partie du spectre électromagnétique et absents dans d'autres. Par exemple, la spectroscopie infrarouge est une technologie plutôt adaptée aux applications agricoles telles que le dépistage des maladies des cultures ou l'identification des espèces cultivées. L'infrarouge est en effet capable de détecter les vibrations des liaisons des composés organiques.

Domaines d'application typiques

Les domaines d'application typiques de la spectroscopie sont l'agriculture, l'alimentation, les bioactifs, les produits pharmaceutiques, les produits pétrochimiques, les textiles, les cosmétiques, les applications médicales, ainsi que les produits chimiques comme les polymères.

Pour recycler les plastiques, on peut utiliser la HSI dans les longueurs d’onde NIR (1000 - 1700 nm) et SWIR (1000 - 2500 nm). Pour trier les plastiques noirs, la longueur d'onde MWIR (3000 - 5000 nm) peut être utilisée.
(Source : http://www.amigooptima.com)

Spectroscopie par imagerie

La spectroscopie par imagerie est essentiellement une fusion du potentiel de l'imagerie et de la spectroscopie. Elle permet de visualiser les matériaux et de déterminer leurs caractéristiques, c'est-à-dire de fournir les informations spatiales et spectrales. 


Imagerie, spectroscopie et spectroscopie par imagerie 
(Source : Mehta N, Shaik S, Devireddy R, Gartia M. Single-Cell Analysis Using Hyperspectral Imaging Modalities. ASME. J Biomech Eng. 2018;140(2):020802-020802-16. doi:10.1115/1.4038638)

La spectroscopie par imagerie fournit une signature spectrale à chaque pixel. En termes simples, l'objet visé est représenté dans les bandes spectrales d'intérêt. Chaque pixel de l'image contient donc une signature spectrale.

Au contraire de la spectroscopie, cette technique ne fournit pas la signature spectrale moyenne du matériau, mais plutôt la signature spectrale à chaque pixel. Contrairement aux images RVB, les images individuelles de chaque bande spectrale ne sont pas fusionnées automatiquement pour former une seule image couleur. Les images sont donc disponibles séparément sous forme de différentes images monochromes.

La spectroscopie par imagerie génère plus d'informations, avec un temps d'acquisition plus long, qu'une image RVB. Contrairement à une image RVB, les informations ne sont pas perdues par interpolation, car les images distinctes ne sont pas fusionnées automatiquement en une seule image couleur.

Quatre générations

En règle générale, la spectroscopie par imagerie peut être classifiée en quatre générations : multispectrale, hyperspectrale, ultraspectrale et full spectrale. Nous les comparons dans le tableau ci-dessous. L'imagerie multispectrale est réalisée avec un nombre réduit de bandes spectrales, généralement jusqu'à 10. L'imagerie hyperspectrale possède une résolution plus fine. Elle est réalisée sur des centaines de bandes spectrales et ces bandes spectrales sont assez étroites (inférieures à 10 nm de largeur totale à la moitié du maximum).

Du RVB à l’hyperspectral en passant par le multispectral, on observe clairement une augmentation du nombre de bandes spectrales et de canaux subséquents nécessaires à l'imagerie d'un matériau. L'image peut être visualisée sous forme de données 3D avec des axes spatiaux et spectraux. La taille de ce cube de données augmente proportionnellement au nombre de bandes spectrales et à l'étendue spatiale. Pour une configuration matérielle donnée, une augmentation du cube de données se traduit par un temps d'acquisition d'image plus long.

 

Le cube d'images AVIRIS montre 224 canaux spectraux empilés, la tranche supérieure étant représentée en spectre visible 
(Source : NASA/JPL-Caltech)

Classification de la spectroscopie par magerie 

Domaines d'application

Les domaines d'application typiques de la spectroscopie par imagerie sont les suivants :

Multispectrale : alimentation/agriculture, pharmacie, géologie/atmosphère, ...

Hyperspectrale : caractérisation des matériaux, recyclage, biométrie, télédétection, chimiométrie, surveillance de l'environnement, médecine légale et contrefaçons, ....

Dans le prochain article, nous approfondirons les développements de l'imagerie hyperspectrale et de ses applications.  

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Cet événement est organisé en coopération avec Flanders’ Food et avec le soutien de VLAIO.