Montpellier le 27 novembre 2012 Conception des spectromètres proche infrarouge Dominique Bertrand data_frame 1
X Ray Ultraviolet Infrarouge Micro-onde Radio Fréquence Ultraviolet Visible Proche infrarouge Moyen infrarouge ( Vibrationnel ) Résonance Magnétique Nucléaire 200 nm 400 nm Bleu 800 nm Rouge 2500 nm 15000 nm 1m 5m courtes Longueurs d onde ( ) longues Portion du spectre électromagnétique présentant un intérêt pour les applications analytiques (d après Pavia et al, 1979) 2
c/v x nm L'onde lumineuse c: vitesse de la lumière v: fréquence nm=10-9 m 3
L'onde lumineuse Longueur d'onde exprimée en Nombre d'onde exprimé en nanomètre (symbole nm) 10-9 mètres en micron (symbole m) 10-6 mètres en Angström(symbole Å) 10-10 mètres cm -1 (inverse de la longueur d'onde exprimée en cm). Exemple de conversion: Longueur d'onde 1940 nm soit 0,001940 cm ou 1 5155cm - 1 0.001940 107 5155cm-1 1940 4
Source lumineuse Dispositif de sélection des longueurs d onde Capteurs photosensibles Echantillon Principe de la spectroscopie 5
DECANE Moyen Infrarouge Proche Infrarouge 6
Classement des œufs en fonction de leur fraîcheur Karl Norris (1949) Temps après la ponte: (1) 20 min; (2) 40 min; (3) 60 min; (4) 120 min; (5) 240 min 7 (Cité par K. Norris, 1992, NIR News 3(1))
Détermination directe de l humidité des grains et des graines Norris K, Hart JH (1963) 8 Proc. Int. Symp. on Humidity and Moisture, New-York, 1983
Détermination directe de l humidité des grains et des graines Norris K, Hart JH (1963) 9 Proc. Int. Symp. on Humidity and Moisture, New-York, 1983
Dispersif s Réseaux Séquentiels - Une seule source lumineuse - Un seul détecteur Non-dispersif s Filtres tournants Filtres basculants Dispersif s Transformée de Hadamard AOTF Multiplexés Transformée de Fourier Spectromètre inf rarouges - Plusieurs sources lumineuses - Un seul détecteur Séquentiels Non-dispersif s Spectromètres à cristal Systèmes à LED, activées séquentiellement Multiplexés Systèmes à LED, activées simultanément suivant un codage Spectromètres multicanaux Multicanaux (plusieurs détecteurs) Vision artificielle multicanale 10
Sources lumineuses: Thermiques (les plus employées) Filament électrique maintenu à une température de 2400 K Diodes émettrices de lumière (Light emitting diode, LED) Semi-conducteur GaAs : plage 900-975 nm GaAsP : plage 1000-2500 nm Laser et diode laser (Light amplification by simulated emission of radiations) Longueur d'onde fixe ou Laser accordable (tunable laser) encore onéreux 11
Longueur d onde (nm) L énergie du corps noir 12
1,0 Intensité relative 0,5 880 920 960 1000 Longueur d'onde (nm) Réponse spectrale d une diode émettrice de lumière 13
Catalogue commercial de LEDs (Roithner, 2012) 14
Détecteurs photosensibles: Thermiques: Thermocouple et thermopiles Pyroélectrique Semi-conducteurs: Photoconductifs Photodiode CCD 15
Jonction noircie Métal 1 Voltmètre Métal 2 Thermocouple: connexion de deux métaux de nature différentes (Bismuth et antimoine) Thermopile : série (20 à 100) de thermocouples 16
Revêtement noir Matière Pyroélectrique Electrodes Détecteur pyroélectrique le matériaux se dilate sous l'effet de la température, ce qui se traduit par un changement des charges électriques 17
Sensibilité SI CCD InGaAs Ge PbS InSb PbSe 0 1 2 3 4 Longueur d onde (Microns) Plage spectrale des matériaux photosensibles dans le proche infrarouge 18
Semi-conducteurs: Photoconductifs Les photon incidents absorbés sont à l'origine de variation dans la conductivité du détecteur. Détecteur au sulfure de plomb (PbS) très couramment utilisé dans l'infrarouge Photodiode Semi-conducteurs de type p-n Silicium utilisable dans le visible et le proche infrarouge Arséniure d'indium actif entre 1500 et 4000 nm CCD Charge coupled device Barrette ou matrice de semi-conducteurs Souvent à base de silicium 19
- Une seule source lumineuse - Un seul détecteur Filtres optiques Monochromateurs Spectromètres proche IR - Plusieurs sources lumineuses - Un seul détecteur LED émettrices Multicanaux (plusieurs détecteurs) LED photosensibles Caméra CCD 20
Source lumineuse Lentilles de focalisation Fente d'entrée Roue à filtres interférentiels Détecteurs photosensibles Echantillon Principe d un spectromètre à filtres tournants 21
Trajet direct Trajet avec réflexion interne Principe des filtres optiques interférentiels 22
Roue Chopper Fente lentilles à filtre D'entrée Miroir mobile Sphère d'intégration Source lumineuse Détecteur Echantillon Détecteur Spectromètre à filtres optiques 23
Longueurs d onde lumineuse souvent retenues dans les applications analytiques agro-alimentaires Longueur d onde (nm) Constituant dosé ou rôle analytique 1445 Eau 1680 Référence 1722 Amidon, cellulose 1734 Protéines 1759 Lipides 1778 Amidon, cellulose, fibre 1818 Cellulose 1940 Eau 2100 Amidon, sucres 2140 Protéines 2180 Protéines 2190 Protéines, amidon 2230 Référence 2270 Lignine 2310 Lipides 2336 Fibres 2348 Cellulose 24
Source lumineuse Lentille de condensation Miroir tournant Chopper Fente d'entrée réglable Lentille d'entrée Miroir de référence Réseau Miroir de renvoi Sphère d'intégration Détecteurs (2) Roue à filtres Echantillon Appareil à monochromateur 25
Réseau Traits bleus différence de trajet optique B' B A' A Principe d un monochromateur 26
m=-4 m=-3 m=-2 m=-1 m=0 m=1 m=2 Différents ordres de diffraction d'un monochromateur à réseau 27
Spectromètres séquentiels A filtres: Entre 3 et 20 filtres Bon marché Transfert d'étalonnage assez difficile Bien adaptés aux produits dispersifs (poudres) A monochromateurs: Typiquement mesures entre 1100 et 2500 nm avec un pas de 2 nm Bien adaptés aux produits dispersifs Spectres pratiquement continus, ce qui facilite les transferts d'étalonnage. 28
Dispersif s Réseaux Séquentiels - Une seule source lumineuse - Un seul détecteur Non-dispersif s Filtres tournants Filtres basculants Dispersif s Transformée de Hadamard AOTF Spectromètre inf rarouges - Plusieurs sources lumineuses - Un seul détecteur Multiplexés Séquentiels Non-dispersif s Transformée de Fourier de Fourier Spectromètres à cristal Hadamard Systèmes à LED, activées séquentiellement Multiplexés Systèmes à LED, activées simultanément suivant un codage Spectromètres multicanaux Multicanaux (plusieurs détecteurs) Vision artificielle multicanale 29
Miroir mobile Lentille Source lumineuse Miroir fixe Séparatrice Trajet A Lentille Trajet B Détecteur 30 Principe d un spectromètre à transformée de Fourier
intensité détectée 2 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1.5-2 -100-80 -60-40 -20 0 20 40 60 80 100 Déplacement du miroir Interférences de deux longueurs d onde lumineuses voisines 31
intensité détectée 100 80 60 40 20 0-20 -1-0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Déplacement du miroir Interférogramme théorique 32
Dispersif s Réseaux Séquentiels - Une seule source lumineuse - Un seul détecteur Non-dispersif s Dispersif s Filtres tournants Filtres basculants Transformée de Hadam Transformée de Hadamard Multiplexés AOTF Transformée de Fourier Spectromètre inf rarouges - Plusieurs sources lumineuses - Un seul détecteur Séquentiels Non-dispersif s Spectromètres à cristal Systèmes à LED, activées séquentiellement Multiplexés Systèmes à LED, activées simultanément suivant un codage Spectromètres multicanaux Multicanaux (plusieurs détecteurs) Vision artificielle multicanale 33
Filtre acoustico-optique modulable (acoustico-optic tunable filter, AOTF) 34
Dispersif s Réseaux Séquentiels - Une seule source lumineuse - Un seul détecteur Non-dispersif s Filtres tournants Filtres basculants Dispersif s Transformée de Hadamard AOTF Multiplexés Transformée de Fourier Spectromètre inf rarouges - Plusieurs sources lumineuses - Un seul détecteur Séquentiels Non-dispersif s Spectromètres à cristal Systèmes à LED, activées séquentiellement Système à LEDs Multiplexés Systèmes à LED, activées simultanément suivant un codage Spectromètres multicanaux Multicanaux (plusieurs détecteurs) Vision artificielle multicanale 35
Intensité Spectre des diodes émettrices Longueur d'onde Sélection des longueurs d onde des LED 36
LED 1 LED 2 réseau holographique concav e LED 3 lumière multiplexée Dispositif de "dédispersion" de la lumière dans un système multisource 37
Réseau holographique Barrette de diodes émettrices Echantillon Détecteur photosensible Principe d un spectromètre à diode émettrice de lumière 38
Dispersif s Réseaux Séquentiels - Une seule source lumineuse - Un seul détecteur Non-dispersif s Filtres tournants Filtres basculants Dispersif s Transformée de Hadamard AOTF Multiplexés Transformée de Fourier Spectromètre inf rarouges - Plusieurs sources lumineuses - Un seul détecteur Séquentiels Non-dispersif s Spectromètres à cristal Systèmes à LED, activées séquentiellement Multiplexés Systèmes à LED, activées simultanément suivant un codage Spectromètres multicanaux Multicanaux (plusieurs détecteurs) Système multicanaux Vision artificielle multicanale 39
Amplificateurs Multiplexeur Convertisseur analogique-digital Source lumineuse Ordinateur Détecteur PbS (4 canaux) Echantillon Spectromètre multicanal 40
Réseau Lumière diffractée Caméra linéaire Fente d'entrée Spectromètre multicanal à réseau. Système mettant en jeu une caméra linéaire (Bellon,-Maurel et al, 1996) 41
Source lumineuse Réseau Matrice de la caméra CCD Une ligne correspond à un spectre Fibres optiques Echantillon Eclatement du faisceau de fibres optiques Spectromètre multicanal à réseau. Système mettant en jeu une caméra matricielle (Bellon,-Maurel et al, 1996) 42
Dosage des sucres à l aide d un spectromètre multicanal (Bellon,-Maurel et al, 1996) 43
Multiway images: data cubes Codage des images multivariées Spatial dimension : Y Spectral dimension : Z x ijk : intensité en position {i,j} pour le plan k Spatial dimension : X 230 216 197 200 178 190 228 224 216 224 197 203 192 189 178 190 189 196 227 209 194 197 207 195 228 224 216 224 197 203 192 189 178 190 189 196 213 222 215 210 201 210 224 227 224 209 203 194 189 197 190 207 196 195 230 213 230 216 222 228 197 215 225 200 210 201 178 201 212 190 210 204 227 209 194 197 207 195 228 224 230 225 228 229 225 214 201 223 212 209 204 204 213216 224 222197 203 215192 189 210178 190 201189 196 210 227 230 225 209 228 229 194 225 214 197 201 223 207 212 209 195 228 224 216 224 197 203 192 189 178 190 189 196204 204 227 213 222 215 210 201 210 225209 229194 214197 223207 209195 230 224 210 230 216 224 213 222 228 197 203 215 225 200 189 210 201 178 190 201 212 190 196 210 204 224 227 230 225 224 209 228 229 203 194 225 214 189 197 207 195 201 223 190 212 209 196 204 204 228 227 213216 209 222197 194 215192 197 210178 207 201189 195 210 230 225228 229225 214201 223212 209204 204 224 213224 222203 215189 210190 201196 210 227 230 225 209 228 229 194 225 214 197 201 223 207 212 209 195 204 210 213 225222 229215 214210 223201 209210 204 230 228 225 201 212 204 225 229 214 223 209 204 Cube X Dimension spatiale i 44
Principes généraux d acquisition des images multivariées (1) Balayage par points (Un seul spectre à la fois) Dispositif optique Source j k i Plateau mobile X-Y Avantage: Bonne qualité spectrale Nombreux points de mesure Inconvénient : lenteur d acquisition Exemple typique: Spectroscopie infrarouge et Raman 45
Principes généraux d acquisition des images multivariées (2) Balayage par lignes Dispositif de dispersion Détecteur matriciel Source Fentes j k i Plateau mobile X Avantage: Rapidité d acquisition Nombreux points spatiaux Inconvénient : Résolution spectrale assez faible Exemple typique: Imagerie proche infrarouge et caméra matricielle 46
Principes généraux d acquisition des images multivariées (3) Balayage matriciel Caméra Roue à filtres Sélection des longueurs d onde par filtres optiques ou par éclairage monochromatique (LED) j o o o o o o o o o o o o o Sources lumineuses Echantillon i Avantage: Grande rapidité d acquisition Nombreux points spatiaux Simplicité Inconvénient : Faible résolution spectrale Exemple typique: Système Videometer 47
Etude de végétaux Taylor et McClure, 1989 Caméra CCD équipée d un système de roue à 6 filtres interférentiels Image 320 x 240 pixels en 256 niveaux de gris Etude sur des feuilles de Magnolia (champ de la caméra : de l ordre de 3x3 cm) Détection de la chlorophylle (filtre à 670 nm) Parties malades (800 nm) Détection de l eau (910 et 960 nm) 48
Dispositif d imagerie hyperspectrale utilisé pour la détection de la farine animale dans les aliments composés à destination animale. (Baeten et al, 2003) 49
ACCESSOIRES ET DISPOSITIFS SPECIAUX 50
Transmission Réflexion I 0 I I 0 I Transmittance: Réflectance : T I I 0 Absorbance: A A 1 ) log( T log( 1 ) R 51
FIBRES OPTIQUES Utilisées pour transporter la lumière Partie centrale de 50 à 1000 m qui guide la lumière entourée d'une gaine réfléchissante de diamètre compris entre 125 et 1050 m. Matériaux : Verre fluoré très bonne qualité optique entre 1000 et 4000 nm sensible à l'acidité (ph inférieur à 4) Chalcogénure Transmission limitée à quelques mètres Halogénures d'argent Verre TeX 52
Gaine n2 Partie centrale n1 c Cone d'admission Fibres optiques 53
Détecteur Monochromateur Cellule de mesure Fibre optique Système fonctionnant en transmission Fibres optiques Agencement des faisceaux de fibres Système fonctionnant en "interactance" Milieu diffusant Fibres optiques 54
Fibre optique Fruit 55
A b s o rb a n c e c o rrig é e S p e c tre s p ro c h e in fra ro u g e c o rrig é s S N V 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1.5 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 Longueur d'onde (nm ) Spectres réduits à la plage spectrale 1100-2100 nm et corrigés par la méthode SNV 56
Echantillon Cristal Détecteur Source Principe de la réflexion totale atténuée 57
Cristal d'atr Liquide 58
Liquide Dispositif d'injection du liquide Cristal d'atr 59
FIN Merci de votre attention domibertrand@free.fr dataframe@free.fr Publications chargeables à «researchgate, Dominique Bertrand» 60