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Qu’est-ce que l’imagerie hyperspectrale?

L’imagerie hyperspectrale est une technique non destructive qui explore le spectre électromagnétique au-delà des trois canaux spectraux (RGB) des caméras couleur standard. Cette méthode permet de détecter un très grand nombre de bandes allant typiquement du visible jusqu’au proche infrarouge.

Spectres de réflectance extraits de mesures hyperspectrales effectuées sur le logo de Photon etc. composé de différentes billes de plastique.
Fig. 1 - Spectres de réflectance extraits de mesures hyperspectrales effectuées sur le logo de Photon etc. composé de différentes billes de plastique.

L’imagerie hyperspectrale fait l’acquisition de bandes spectrales étroites (≤10 nm) et contigües et permet d’obtenir un spectre en chaque pixel. Par comparaison l’imagerie multispectrale fait l’acquisition de quelques bandes discrètes et ne permet pas de reconstituer un spectre. La technologie de filtrage de Photon etc. permet de mesurer des largeurs de bandes aussi faibles que 2 à 5 nm ou moins de 1 nm.

Cette technique fournit l’information spatiale et spectrale de chaque pixel de l’image et permet ainsi d’identifier une molécule, un matériau ou un tissu grâce à sa signature spectrale unique.

Schématisation d’un cube hyperspectral.
Fig. 2 - Schématisation d’un cube hyperspectral.

Cube hyperspectral

Les images monochromatiques acquises forment ce que l’on appelle le cube hyperspectral, qui contient à la fois les informations spatiales et spectrales de l’échantillon. Un cube hyperspectral est constitué d’un empilement d’images monochromatiques. En fonction de la taille du capteur utilisé, un seul cube peut fournir plusieurs millions de spectres, ce qui constitue une source d’information extrêmement riche. Ces données peuvent être analysées à l’aide du logiciel d’analyse de Photon etc., PHySpec ou via un logiciel tiers tel ImageJ ou MATLAB.

Imagerie globale vs cartographie

Contrairement à la cartographie où une mesure spectrale est prise point par point ou ligne par ligne en bougeant l’échantillon, le détecteur ou la source d’excitation, l’imagerie hyperspectrale globale mesure des images monochromatiques et balaye les longueurs d’onde. Le nombre d’acquisitions étant très inférieur en imagerie (quelques centaines de longueurs d’onde comparativement à plusieurs centaines de milliers de points en cartographie), la densité d’excitation peut être beaucoup plus faible pour ne pas endommager les échantillons tout en maintenant des temps de mesures courts. L’imagerie n’endommage donc pas l’échantillon en plus d’offrir une haute résolution spectrale (~ nm) et spatiale (~ µm). De plus, puisque tout le champ de vue est imagé simultanément, la trajectoire d’objets en mouvement peut être reconstruite.

Technologie d’imagerie globale de Photon etc.

Cette vidéo montre la différence conceptuelle entre l’imagerie hyperspectrale globale et l’acquisition par balayage. Avec l’imagerie globale, seules quelques images monochromatiques sont nécessaires pour obtenir un cube de données hyperspectrales (X-Y axes spatiaux, Z axe spectral). Avec les technologies par balayage, un spectre doit être enregistré en chaque point ou ligne du champ de vu désiré.

Qu’est-ce qu’un réseaux de Bragg en volume?

Un réseau de Bragg en volume (VBG – volume Bragg grating) est un réseau de diffraction où il y a une modulation périodique de l’indice de réfraction au travers du volume d’un matériau photosensible (ici du verre photo-thermo-réfractif). Cette modulation peut être orientée afin de transmettre (Fig 3) ou de réfléchir (Fig 4) la longueur d’onde diffractée. Les VBGs sont décrits par les paramètres suivants (voir Fig 3) : l’épaisseur du réseau, l’indice du réfraction du verre (n0), la période (⋀) du réseau (ou fréquence spatiale f = 1/⋀), l’angle (θ) entre le faisceau incident et la normale à la surface d’entrée (N), et l’inclinaison des plans de Bragg (φ) définie comme l’angle entre la normale (N) et le vecteur du réseau (Kg).

Schématisation d’un réseau de Bragg en transmission.
Fig. 3 - Schématisation d’un réseau de Bragg en transmission.

Seule une petite fraction du spectre de la lumière incidente respecte la loi de Bragg et sera diffractée. La longueur d’onde diffractée λB est sélectionnée en ajustant l’angle d’incidence de la lumière sur le réseau afin de respecter la loi de Bragg: λB=2n0Λcos(θ+φ). Tel que démontrée à la figure 3, pour les réseaux en transmission φ = π/2 (les plans de Bragg sont perpendiculaires à la surface d’entrée). Dans ce cas, la condition de Bragg devient : λB=2n0Λsin(θ).

Cette condition est valide pour des réseaux en transmission et doit être modifiée lorsque les plans de Bragg sont parallèles à la surface d’entrée (voir Fig 4). Pour les réseaux en réflexion, φ = 0 et la condition de Bragg devient : λB=2n0Λcos(θ). Les longueurs d’onde ne respectant pas la loi de Bragg ne sont pas diffractées et sont simplement transmises par le réseau.

Schématisation d’un réseau de Bragg en réflexion.
Fig. 4 - Schématisation d’un réseau de Bragg en réflexion.

Filtre accordable à base de réseaux de Bragg

Un filtre de Bragg accordable est un filtre qui exploite les réseaux de Bragg afin d’extraire une petite bande de longueurs d’onde d’un faisceau polychromatique. Comme mentionné par la loi de Bragg, θ détermine la longueur d’onde diffractée. Ainsi, en variant l’angle du réseau, il est possible de balayer la longueur d’onde de sortie sur des centaines de nanomètres. Cette technologie permet la détection d’une image complète sur une bande étroite de longueurs d’onde.