Article

1 - APPLICATIONS DE L'IMAGERIE HYPERSPECTRALE

2 - SPECTRO-IMAGEURS FONCTIONNANT EN MODE MONOPOINT

3 - SPECTRO-IMAGEURS FONCTIONNANT EN MODE À CHAMP LINÉAIRE

4 - SPECTRO-IMAGEURS FONCTIONNANT EN MODE À TRAME POINTÉE

5 - SPECTRO-IMAGEURS FONCTIONNANT EN MODE À TRAME DÉFILANTE

6 - CONCLUSION

7 - ANNEXE : AVANTAGES DE LA SPECTROSCOPIE PAR TRANSFORMÉE DE FOURIER

Article de référence | Réf : E4111 v1

Spectro-imageurs

Auteur(s) : Yann FERREC

Date de publication : 10 févr. 2010

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RÉSUMÉ

Les spectro-imageurs sont des instruments qui conjuguent les capacités d'imagerie avec celles de spectrométrie, en associant un spectre à chaque point de l'image. L'imagerie hyperspectrale, riche en information, est ainsi employée dans de nombreux domaines : biologie, étude et surveillance de l'environnement, astronomie, ou encore contrôle industriel. Toutes ces applications n'ont pas les mêmes besoins, et utilisent des dispositifs instrumentaux qui peuvent être très différents. Par exemple, le champ instantané peut être réduit à un point, à une fente, ou au contraire s'étendre dans les deux dimensions. La séparation spectrale peut être obtenue par des réseaux de diffraction, des filtres, des interféromètres ou d'autres moyens. Cet article présente un panorama de ces techniques de spectro-imagerie, en insistant sur les principes physiques utilisés, mais aussi sur les performances potentielles de ces dispositifs.

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ABSTRACT

Spectro-imagers are instruments that combine imaging capabilities with those of spectrometry, by associating a spectrum at each point of the image. Hyperspectral imaging, rich in information, is thus used in many fields: biology, research and environmental monitoring, astronomy, or industrial control. These applications have different needs, and use very varied devices. For instance, the instantaneous field can be reduced to a point, a slit, or be extended in the two dimensions. Spectral separation can be achieved via diffraction gratings, filters, interferometers or other means. This article presents an overview of these spectro-imaging techniques whist highlighting the physical principles used, as well as the potential performances of these devices.

Auteur(s)

  • Yann FERREC : Docteur ès sciences - Ingénieur de l'École supérieure d'optique - Chercheur à l'Onera

INTRODUCTION

La spectro-imagerie (en anglais « spectral imaging »), née de la combinaison de l'imagerie et de la spectrométrie, a pour objet de générer des images résolues spectralement, ou, de manière équivalente, des spectres résolus spatialement. C'est donc une généralisation de l'imagerie en couleurs, à cette différence que le nombre de composantes spectrales associées à chaque pixel de l'image n'est plus limité à trois, mais peut aller au-delà du millier. Lorsque ce nombre est faible, autour de la dizaine, on parle plutôt d'imagerie multispectrale, et d'imagerie hyperspectrale quand le nombre de bandes dépasse quelques dizaines. Aujourd'hui, le terme de spectro-imagerie est devenu pratiquement synonyme d'imagerie hyperspectrale, et c'est dans ce sens que nous l'emploierons. La limite entre le domaine multispectral et le domaine hyperspectral n'a toutefois pas encore de définition précise et acceptée par tous les auteurs, même si la plupart s'accordent à ajouter qu'un instrument doit délivrer des images dans des bandes spectrales étroites et contiguës pour pouvoir être qualifié d'hyperspectral. La dénomination peut aussi varier avec la communauté d'utilisateurs. C'est ainsi qu'en astronomie, on trouvera couramment les termes de spectroscopie 3D, spectroscopie intégrale de champ ou spectroscopie à champ intégral (« integral field spectroscopy » en anglais), et imagerie chimique (chemical imaging«  » en anglais) en biologie ou en chimie.

Les domaines d'application des spectro-imageurs sont en effet très vastes, puisqu'on en trouve aussi bien dans des microscopes qu'au foyer des plus grands télescopes. On trouvera dans le premier chapitre de cet article un rapide survol des principales utilisations actuelles de l'imagerie hyperspectrale.

Encore plus vaste est l'éventail des dispositifs permettant d'acquérir à la fois l'information spectrale et l'information spatiale. Cette diversité est due en partie à celle des techniques spectrométriques, mais aussi aux différentes manières de balayer une image. En effet, rares sont les instruments qui acquièrent en une seule exposition l'ensemble de l'information spectrale et spatiale. Il est donc le plus souvent nécessaire d'introduire un balayage temporel, balayage qui peut concerner la dimension spectrale, mais aussi la dimension spatiale. C'est ainsi que l'on obtient une classification des spectro-imageurs selon leur mode d'acquisition spatiale. On distinguera donc quatre grandes familles d'instruments :

  • les instruments en mode « monopoint » (« whiskbroom » en anglais), pour lesquels le champ de vue instantané se réduit à un point ;

  • les instruments en mode « à champ linéaire » (« pushbroom » en anglais), pour lesquels le champ de vue s'étend à une dimension ;

  • les instruments en mode « à trame pointée » (« staring », ou « framing » en anglais), pour lesquels le champ de vue s'étend à deux dimensions et reste fixe ;

  • les instruments en mode « à trame défilante » (« windowing » en anglais), pour lesquels le champ de vue s'étend à deux dimensions mais balaye la scène continûment dans une direction.

C'est cette distinction que nous avons adoptée pour présenter notre article, puisque le deuxième chapitre sera consacré aux instruments en mode monopoint, le troisième aux instruments à champ linéaire défilant, le quatrième aux instruments en mode à trame pointée, et le cinquième à ceux en mode à trame défilante. Ces quatre chapitres ont surtout pour but de faire comprendre les principes instrumentaux, de manière simple, sans entrer de manière excessive dans les détails de conception et de réalisation. Nous indiquons tout de même, à la fin de chaque chapitre, les conditions d'utilisation les plus propices pour chacun de ces modes d'acquisition, et, dans le chapitre de conclusion, nous donnons un tableau récapitulatif des points forts et des points faibles des principes instrumentaux décrits dans cet article.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e4111


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - AIKIO (Mauri) -   Hyperspectral prism-grating-prism imaging spectrograph.  -  2001 Thèse de doctorat. Université d'Oulu (disponible en janvier 2009 à l'adresse www.vtt.fi/inf/pdf/publications/2001/P435.pdf

  • (2) - CUTTER (Mike) et LOBB (Daniel R.) -   Design of the compact high-resolution imaging spectrometer (CHRIS), and future developments  -  Proceedings of the 5th International Conference on Space Optics ICSO (2004).

  • (3) - EVANS (John W.) -   The birefringent filter  -  Journal of the Optical Society of America 39 (3) p. 229-242 (1949).

  • (4) - EVANS (John W.) -   Sölc birefringent filter,  -  Journal of the Optical Society of America 48 (3) p. 142-145 (1958).

  • (5) - FERREC (Yann) -   Spectro-imagerie aéroportée par transformation de Fourier avec un interféromètre statique à décalage latéral : réalisation et mise en œuvre (2008)  -  Thèse de doctorat. Université Paris XI (disponible en janvier 2009 sur le serveur http://tel.archives-ouvertes.fr)

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Sites Internet

Instrument VIRTIS (spectro-imageur visible et infrarouge embarqué dans la sonde Rosetta de l'Agence Spatiale Européenne) :

http://servirtis.obspm.fr/virtis.html (page consultée en janvier 2010)

Instrument M3 (spectro-imageur visible et infrarouge de la NASA embarqué dans la sonde Chandrayaan-1 de l'Indian Space Research Organization) :

https://www.techno-science.net/glossaire-definition/Chandrayaan-1.html (page consultée en  janvier 2010)

Instrument APEX (spectro-imageur aéroporté développé pour l'Agence Spatiale Européenne) :

http://www.apex-esa.org/ (page consultée en janvier 2010)

Instrument MUSE (spectrographe intégral de champ pour le VLT) :

http://muse.univ-lyon1.fr/?lang=fr (page consultée en janvier 2010)

Télescope JWST (télescope spatial de la NASA, embarquant divers instruments dont des spectro-imageurs) :

http://www.jwst.nasa.gov/ (page consultée en janvier 2010)

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2 Annuaire

Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

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