SPECTROSCOPIE VEGETALE
VEGETAL SPECTROSCOPY

 Cette page montre quelques exemples de spectres d'objets familiers de la vie courante obtenus en montant un objectif photographique à l'avant du spectrographe Alpy 600.

Le spectrographe Alpy 600 (éventuellement équipé du module de guidage optionnel) est compatible avec l'usage d'un objectif photographique (le tirage optique est étudié pour cela). L'interface avec l'objectif photographique ce fait via une bague T standard. Cette configuration permet de réaliser de la spectrographie grand-champ (sans utiliser un télescope donc). J'ai fait tous les tests présentés ici au travers d'un objectif Canon de 400 mm f/5,6. La caméra CCD principale est un modèle Atik460EX, alors que la caméra
de guidage (ici exploitée pour le pointage) est un modèle Aik314L.

 

Les acquisitions ont été systématiquement doublées pour régler le problème du recouvrement des ordres dans l'infrarouge. Un premier spectre est réalisé de manière standard pour la région spectrale allant de 400 à 730 nm. Un second spectre est pris au travers d'un filtre d'ordre monté à l'avant de l'objectif (filtre rouge photographique équivalent à un W25 bloquant les longueurs d'onde plus courtes que 630 nm environ). Ce spectre couvre le domaine spectral allant de 660 à 866 nm.

Le spectre complet de référence observé depuis le bleu jusqu'au proche infrarouge (spectre d’une façade blanche éclairée par le soleil). Les deux acquisitions (partie visible puis partie infrarouge),  faites en séquence, se superposent parfaitement dans leur zone commune (j'utilise la commande L_MERGE de ISIS). L'acquisition dans l'infrarouge est seulement possible, car j'exploite une caméra équipée d'un CCD de grande taille (Atik460E). Avec une caméra d'acquisition moins coûteuse, comme une Atik314L+, la longueur d'onde la plus longue accessible se situe vers 7200 A. Noter encore que le spectrographe Alpy 600 n'est pas apte à fournir un spectre net dans la partie visible et ultraviolette en même temps qu'un spectre net au-dessus de 7400 (sans refocalisation). Cependant la dégradation du spectre est relativement contenue dans l'infrarouge et surtout l'application décrite ici n'est pas exigeante en termes de résolution spectrale. En fin de compte, Alpy 600 est utilisable dans l'infrarouge proche pour cet usage.

La localisation de quelques scènes observées dans le paysage. Le spectre de référence est pris sur la façade d'une maison (le carré rouge). On fait l'hypothèse que cette surface réfléchie de la manière neutre tout le domaine spectral observé (de 400 nm à 866 nm). Ce n'est pas strictement exact car le mur a une teinte crème.

Exemple de champ visé, très structuré spatialement : une toiture de brique rouge. Cette vue en couleur est prise avec appareil photo Canon EOS 5D Mk2.

A gauche, la même toiture vue par la caméra du système guidage/pointage Alpy 600. L'image de la fente de 23 microns de large est le fin trait vertical. Le flux est atténué par un filtre qui ne laisse passer que le rayonnement infrarouge au-dessus de 800 nanomètres environ. La caméra de guidage donne donc ici une vision infrarouge des scènes. A gauche, le spectre 2D correspondant. La luminance périodique de la toiture suivant l'axe long de la fente provoque une modulation caractéristique du signal enregistrée par le détecteur suivant l'axe spatial du spectre 2D. Plusieurs raies du spectre solaire sont identifiées, ainsi que la position des bandes A et B de l'oxygène bi-atomique atmosphérique.

Le système est à présent dirigé vers une zone de prairies et d'arbres éloignés de plusieurs kilomètres. La fente coupe plusieurs points du paysage de natures différentes. A droite, le spectre 2D correspondant. Par rapport au spectre de la toiture, on remarque une surintensité dans le rouge profond. C'est le "red egde" provoqué par les pigments de chlorophylle de la végétation. A partir de 680 nm, le feuillage des plantes commence en effet à bien réfléchir la lumière. Cette caractéristique est invisible à nos yeux. Seule une petite bosse de réflectance des pigments de chlorophylle est présente vers 550 nm, ce qui suffit à donner la couleur verte végétale à l'oeil. La caméra de guidage Alpy 600 travaillant dans l'infrarouge, l'image fournie est comme illuminée, car les feuilles et herbes de prairies deviennent très "brillantes" dans cette partie du spectre.

A gauche, une vue photographique classique de la scène, avec l'identification de points de mesure. A droite, le spectre de réflectance des points en question. Le spectre de réflectance est le rapport (spectre étudié) / (spectre de référence). Les courbes sont normalisées à la longueur d'onde de 550 nm. Le red edge est bien  visible sur la droite. Malgré que l'on observe des végétaux à chaque fois, l'aspect du spectre se différentie d'un point à un autre du paysage, aussi bien en intensité qu'en forme. Noter que la signature du O2 et H2O atmosphérique est bien visible dans ces spectres de réflectances alors en revanche, les raies propres au soleil ont bien disparu. L'explication tiens au fait la référence est prise sur le mur blanc d'une maison toute proche de l'observateur alors que la scène se situe à une grande distance horizontale. On voit donc ici la signature de la transmission atmosphérique.

Pour mieux apprécier les variations spectrales, voici les ratios des spectres #1, #2, #3 avec le spectre #4. Ce type de résultat permet d'établir un certain nombre d'indices numériques qui aident à mesurer à distance le type de végétal observé, si le sol est humide ou sec, la présence de maladies des plantes, etc. C'est un domaine de recherche très important. C'est par exemple un des objectifs de la télédétection spatiale.

Parce que la courbe de réponse de l'oeil (en bleu clair dans cette figure) est centrée vers 500 nm, le red edge nous inconnu dans la vie quotidienne. La courbe en noir est la perception spectrale des végétaux à l'oeil nu.

Autres exemples de spectres de réflectance. Noter comment la couleur de la peinture des murs se différentie dans le profil spectral de réflectance. La diffusion Rayleigh donne par ailleurs sa couleur bleue au ciel.
 

Le même équipement permet de mesurer le spectre de la pollution lumineuse de zones précises. Ici un champ de lampadaire HPS. Voir aussi cette page.

Depuis peu mon observatoire est pollué par un champ de lampadaires à lampes fluorescentes (très voisines des lampes basse-consommation domestique), qui s'allument par intermittence au passage des piétons. C'est le progrès !

Le spectre d'une lampe basse consommation telle que vous pouvez l'acheter dans le commerce.

Il est possible de mesurer les caractéristiques spectrales de nombreux objects avec un spectrographe tel que Aply 600.
Ici la transmission absolue d'une fenêtre équipée d'un double vitrage. Le facteur de transmission n'est que de 80% environ dans le visible.

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