Images spectrales, qui contiennent plus d'informations sur les couleurs qu'il n'est possible d'obtenir avec un appareil photo classique, révèlent des caractéristiques de tissus et d'autres échantillons biologiques qui ne peuvent pas être vues à l'œil nu. Un nouvel appareil compatible avec un smartphone qui se tient comme un crayon pourrait faciliter l'acquisition d'images spectrales d'objets du quotidien et pourrait éventuellement être utilisé pour le diagnostic médical sur le lieu de soins dans des endroits éloignés.

Les applications potentielles du nouveau dispositif comprennent la détection de la saturation en oxygène dans le sang d'une personne, déterminer la fraîcheur de la viande à l'épicerie et identifier les fruits à maturité parfaite. Le spectromètre pourrait également faciliter l'acquisition de données spectrales sur le terrain pour des études scientifiques.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Biomédicale Express , les chercheurs décrivent comment fabriquer le nouveau spectromètre en forme de crayon et démontrent sa capacité à acquérir des images spectrales de bananes, porc et la main d'une personne. Le nouveau dispositif peut détecter des longueurs d'onde de 400 à 676 nanomètres à 186 points simultanément.

"La façon la plus simple d'utiliser un spectromètre est de l'agiter sur la partie du corps ou de l'objet examiné, " a déclaré le premier auteur Fuhong Cai, Université de Hainan, Chine. "Toutefois, de nombreux spectromètres portables artisanaux utilisent un appareil photo pour smartphone pour acquérir des données et un support de téléphone qui contient d'autres optiques nécessaires. Le support peut être difficile à aligner correctement et il est difficile d'agiter le smartphone sur le corps."

Plutôt que d'utiliser l'appareil photo d'un smartphone pour acquérir des images, le nouveau spectromètre utilise une caméra complémentaire métal-oxyde-semiconducteur (CMOS) disponible dans le commerce qui transmet sans fil des images à un smartphone. Cette approche a permis aux chercheurs d'assembler un dispositif d'imagerie spectrale cylindrique pesant seulement 140 grammes (environ 5 onces), soit environ la longueur d'un smartphone et un peu plus de 3 centimètres de diamètre.

Utiliser des composants du commerce

Le nouveau spectromètre en forme de crayon utilise tous les composants disponibles dans le commerce qui peuvent être achetés pour moins de 300 $ (US). La source lumineuse est un réseau de LED blanches, qui se connecte à un tube de lentille optique standard avec le détecteur CMOS et d'autres composants optiques nécessaires à l'imagerie spectrale.

On peut utiliser le spectromètre en forme de crayon simplement en le déplaçant à la main sur la zone cible. Ce processus de balayage manuel à balai-poussoir crée une série d'images spectrales qui sont envoyées à un smartphone ou à un ordinateur où le logiciel assemble les images spectrales dans un cube de données d'images spectrales 3D.

Les chercheurs ont testé le spectromètre en l'utilisant pour détecter la maturité de la banane et les niveaux de myoglobine - la protéine contenant du fer qui donne sa couleur à la viande - dans un morceau de porc. Ils l'ont également utilisé pour scanner la main d'une personne, obtenir une vidéo de 16 secondes contenant 200 images spectrales. A partir des images spectrales 3D, les chercheurs ont pu distinguer cinq doigts et la paume et ont constaté des différences dans la distribution de l'hémoglobine dans diverses parties de la main.

Les chercheurs souhaitent également utiliser leur spectromètre imageur compact pour la surveillance de l'environnement. "Nous développons des caméras spectrales distribuées qui pourraient être utilisées pour un large éventail d'études océaniques, comme la détection de la matière organique dissoute dans l'eau ou des pigments qui indiquent les premiers signes de prolifération d'algues nuisibles, " a déclaré Cai. " Étant donné que le spectromètre imageur peut se connecter à n'importe quel type de caméra, nous étudions également l'idée de l'attacher à la caméra d'un véhicule autonome pour créer un système de télédétection océanique."

Optimiser le système

Bien que l'utilisation de composants disponibles dans le commerce pour fabriquer le prototype signifie que n'importe qui peut assembler l'appareil, il impose également certaines limites sur la résolution et la sensibilité. Par exemple, le prototype ne peut résoudre que des longueurs d'onde qui diffèrent d'au moins 17 nanomètres.

« Nous nous attendons à des améliorations significatives de la résolution spectrale à l'avenir en utilisant une caméra améliorée avec un objectif à longue focale, " a déclaré Dan Wang, Université de technologie chimique de Pékin, Chine, un membre de l'équipe de recherche. "Ces améliorations élargiraient les applications de l'appareil."

Les chercheurs prévoient également de développer un logiciel pour rendre l'imageur spectral encore plus utile. "Nous voulons développer des moyens d'utiliser des algorithmes d'apprentissage automatique pour analyser les quantités massives de données qui pourraient être collectées avec l'imageur de spectres portable, " dit Sailing He, Université du Zhejiang, Chine, un membre de l'équipe de recherche. "Nous voulons également créer un logiciel pour smartphones qui utilise des données d'imagerie spectrale pour mesurer la fraîcheur de la viande, par exemple."