Spectrale beelden, die meer kleurinformatie bevatten dan verkrijgbaar is met een typische camera, onthullen kenmerken van weefsel en andere biologische monsters die niet met het blote oog kunnen worden gezien. Een nieuw smartphone-compatibel apparaat dat als een potlood wordt vastgehouden, zou het praktisch kunnen maken om spectrale beelden van alledaagse voorwerpen te maken en kan uiteindelijk worden gebruikt voor medische diagnose op afgelegen locaties.

Mogelijke toepassingen van het nieuwe apparaat zijn onder meer het detecteren van zuurstofverzadiging in het bloed van een persoon, het bepalen van de versheid van vlees in de supermarkt en het identificeren van fruit dat de perfecte rijpheid is. De spectrometer zou het ook gemakkelijker kunnen maken om spectrale gegevens in het veld te verzamelen voor wetenschappelijke studies.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Biomedische Optica Express , de onderzoekers beschrijven hoe ze de nieuwe potloodachtige spectrometer kunnen maken en demonstreren hoe ze spectrale afbeeldingen van bananen kunnen maken, varkensvlees en de hand van een persoon. Het nieuwe apparaat kan tegelijkertijd golflengten van 400 tot 676 nanometer op 186 plekken detecteren.

"De gemakkelijkste manier om een ​​spectrometer te gebruiken, is door hem over het deel van het lichaam of object te zwaaien dat wordt onderzocht, " zei eerste auteur Fuhong Cai, Hainan-universiteit, China. "Echter, veel zelfgemaakte draagbare spectrometers gebruiken een smartphonecamera om gegevens te verzamelen en een telefoonhouder die andere noodzakelijke optica bevat. De houder kan moeilijk goed uit te lijnen zijn en maakt het lastig om de smartphone over het lichaam te zwaaien."

In plaats van een smartphonecamera te gebruiken om beelden te verkrijgen, de nieuwe spectrometer maakt gebruik van een in de handel verkrijgbare complementaire metaaloxide-halfgeleider (CMOS) camera die draadloos beelden naar een smartphone verzendt. Dankzij deze benadering konden de onderzoekers een cilindrisch apparaat voor spectrale beeldvorming samenstellen met een gewicht van slechts 140 gram (ongeveer 5 ounces), ongeveer de lengte van een smartphone en iets meer dan 3 centimeter in diameter.

Kant-en-klare componenten gebruiken

De nieuwe potloodachtige spectrometer gebruikt alle in de handel verkrijgbare componenten die kunnen worden gekocht voor minder dan $ 300 (VS). De lichtbron is een reeks witte LED's, die wordt aangesloten op een kant-en-klare optische lensbuis met de CMOS-detector en andere optische componenten die nodig zijn voor spectrale beeldvorming.

Men kan de potloodachtige spectrometer gebruiken door hem eenvoudig met de hand over het doelgebied te bewegen. Dit handmatige push-bezem-scanproces bouwt een reeks spectrale beelden op die naar een smartphone of computer worden gestuurd, waar software de spectrale beelden samenvoegt tot een 3D-kubus met spectrale beeldgegevens.

De onderzoekers testten de spectrometer door hem te gebruiken om bananenrijpheid en niveaus van myoglobine - het ijzerbevattende eiwit dat vlees zijn kleur geeft - in een stuk varkensvlees te detecteren. Ze gebruikten het ook om iemands hand te scannen, het verkrijgen van een video van 16 seconden met 200 spectrale beelden. Van de 3D spectrale beelden, de onderzoekers konden vijf vingers en de handpalm onderscheiden en zagen verschillen in hemoglobineverdeling in verschillende delen van de hand.

De onderzoekers zijn ook geïnteresseerd in het gebruik van hun compacte beeldspectrometer voor omgevingsmonitoring. "We ontwikkelen gedistribueerde spectrale camera's die kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan oceaanonderzoeken, zoals het detecteren van opgeloste organische stoffen in water of pigmenten die vroege tekenen van schadelijke algenbloei aangeven, " zei Cai. "Omdat de beeldspectrometer op elk type camera kan worden aangesloten, we onderzoeken ook het idee om het aan de camera van een autonoom voertuig te bevestigen om een ​​oceaandetectiesysteem op afstand te creëren."

Het systeem optimaliseren

Hoewel het gebruik van in de handel verkrijgbare componenten om het prototype te maken betekent dat iedereen het apparaat kan monteren, het legt ook enkele limieten op aan resolutie en gevoeligheid. Bijvoorbeeld, het prototype kan alleen golflengten oplossen die minimaal 17 nanometer verschillen.

"We verwachten in de toekomst aanzienlijke verbeteringen in de spectrale resolutie door gebruik te maken van een verbeterde camera met een lens met lange brandpuntsafstand, " zei Dan Wang, Universiteit voor Chemische Technologie van Peking, China, een lid van het onderzoeksteam. "Deze verbeteringen zouden de toepassingen voor het apparaat uitbreiden."

De onderzoekers zijn ook van plan software te ontwikkelen om de spectrale imager nog nuttiger te maken. "We willen manieren ontwikkelen om machine learning-algoritmen te gebruiken om de enorme hoeveelheden gegevens te analyseren die kunnen worden verzameld met de draagbare spectra-imager, " zei Sailing He, Zhejiang-universiteit, China, een lid van het onderzoeksteam. "We willen ook software voor smartphones maken die spectrale beeldgegevens gebruikt om de versheid van vlees te meten, bijvoorbeeld."