Les chercheurs ont développé un système d'imagerie compact qui peut mesurer la forme et les propriétés de réflexion de la lumière des objets avec une vitesse et une précision élevées. Ce système d'imagerie hyperspectrale 5D, appelé ainsi parce qu'il capture plusieurs longueurs d'onde de lumière ainsi que des coordonnées spatiales en fonction du temps, pourrait bénéficier à diverses applications, notamment le tri optique des produits et l'identification des personnes dans les zones sécurisées des aéroports. Avec une miniaturisation plus poussée, l'imageur pourrait permettre une inspection sur smartphone de la maturité des fruits, ou suivi médical individuel.

Quoi de plus, "parce que notre système d'imagerie ne nécessite pas de contact avec l'objet, il peut être utilisé pour enregistrer des artefacts ou des œuvres d'art de valeur historique, " a déclaré Stefan Heist, chef de l'équipe de recherche de l'Université Friedrich Schiller d'Iéna et de l'Institut Fraunhofer d'optique appliquée et d'ingénierie de précision, Allemagne. Cela peut être utilisé pour créer une archive numérique détaillée et précise, il ajouta, tout en permettant l'étude de la composition matérielle de l'objet.

Les imageurs hyperspectraux détectent des dizaines à des centaines de couleurs, ou longueurs d'onde, au lieu des trois détectés par les caméras normales. Chaque pixel d'une image hyperspectrale traditionnelle contient une intensité de rayonnement dépendante de la longueur d'onde sur une plage spécifique liée à des coordonnées bidimensionnelles.

Le nouveau système d'imagerie hyperspectrale, développé en collaboration avec le groupe de recherche de Gunther Notni de l'Université de technologie d'Ilmenau en Allemagne, fait progresser cette approche d'imagerie en acquérant des informations dimensionnelles supplémentaires. Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , les chercheurs décrivent comment chaque pixel acquis par leur nouvel imageur hyperspectral 5D contient l'heure; X, coordonnées spatiales y et z ; et des informations basées sur la réflectance de la lumière allant de la partie visible à la partie proche infrarouge du spectre électromagnétique.

"Les systèmes de pointe qui visent à déterminer à la fois la forme des objets et leurs propriétés spectrales sont basés sur de multiples capteurs, offrent une faible précision ou nécessitent des temps de mesure longs, " dit Heist. " En revanche, notre approche combine une excellente résolution spatiale et spectrale, une grande précision de profondeur et des fréquences d'images élevées dans un seul système compact."

Création d'un prototype compact

Les chercheurs ont créé un prototype de système avec une empreinte de seulement 200 sur 425 millimètres, soit environ la taille d'un ordinateur portable. Il utilise deux caméras instantanées hyperspectrales pour former des images 3D et obtenir des informations de profondeur tout comme nos yeux le font en capturant une scène dans deux directions légèrement différentes. En identifiant des points particuliers sur la surface de l'objet qui sont présents dans les deux vues de la caméra, un ensemble complet de points de données dans l'espace pour cet objet peut être créé. Cependant, cette approche ne fonctionne que si l'objet a suffisamment de texture ou de structure pour identifier sans ambiguïté les points.

Pour capturer à la fois les informations spectrales et la forme de surface d'objets qui peuvent ne pas être hautement texturés ou structurés, les chercheurs ont incorporé un projecteur à grande vitesse spécialement développé dans leur système. En utilisant une méthode de projection mécanique, une série de motifs lumineux apériodiques est utilisée pour texturer artificiellement la surface de l'objet. Cela permet une reconstruction 3D robuste et précise de la surface. Les informations spectrales obtenues par les différents canaux des caméras hyperspectrales sont ensuite cartographiées sur ces points.

"Notre développement antérieur d'un système projetant des motifs apériodiques par une roue rotative a permis de projeter des séquences de motifs à des fréquences d'images potentiellement très élevées et en dehors de la plage spectrale visible, " a déclaré Heist. " Les nouvelles caméras instantanées hyperspectrales étaient également un élément important car elles permettent de capturer des informations résolues spatialement et spectralement dans une seule image, sans aucune numérisation."

Imagerie hyperspectrale à grande vitesse

Les chercheurs ont caractérisé leur prototype en analysant le comportement spectral des caméras et les performances 3D de l'ensemble du système. Ils ont montré qu'il pouvait capturer des images 5D visibles à proche infrarouge aussi rapidement que 17 images par seconde, beaucoup plus rapide que d'autres systèmes similaires.

Démontrer l'utilité du prototype pour analyser des objets culturellement significatifs, les chercheurs l'ont utilisé pour documenter numériquement un globe terrestre en relief historique de 1885. Ils ont également créé des modèles 5D dans le proche infrarouge de la main d'une personne et ont montré que le système pouvait être utilisé comme un moyen simple de détecter les veines. L'imageur pourrait également être utilisé pour des applications agricoles, ce que les chercheurs ont montré en l'utilisant pour capturer le changement 5D du spectre de réflexion des feuilles d'agrumes lorsqu'elles absorbaient de l'eau.

Les chercheurs prévoient d'optimiser leur prototype en utilisant des caméras hyperspectrales avec un rapport signal sur bruit plus élevé ou qui présentent moins de diaphonie entre les différents canaux spectraux. Idéalement, le système serait adapté à des applications spécifiques. Par exemple, des caméras avec des taux d'imagerie élevés pourraient être utilisées pour analyser les propriétés d'objets changeant dynamiquement, tandis que l'utilisation de capteurs à haute résolution dans la longueur d'onde infrarouge pourrait être utile pour détecter les fuites chimiques.