Comment construire un mini spectrophotomètre sur webcam?

Si vous n'êtes pas très à l'aise avec les mots de plus de trois syllabes, sachez qu'un spectrophotomètre est un dispositif capable de donner le spectre d'absorption d'une solution (un liquide plus ou moins transparent ou coloré).

--Ce qui veut dire qu'il pourra indiquer quelles couleurs sont plus ou moins fortement absorbées, et éventuellement servir d'outil d'identification de substances (toutes les substances n'ont pas le même spectre), ou de mesureur de concentration (les solutions plus concentrées absorbent plus que les plus diluées). Inutile de préciser que ce genre d'outils est assez onéreux, et qu'en plus, ça prend de la place sur le bureau. Vous en avez un échantillon "basique" ci-contre...

La mission est alors de réaliser un spectrophotomètre à bas coût, ultra léger et miniaturisé. L'enregistreur sera une webcam. Voici le montage:

--Le dispositif est conçu pour s'emboîter par dessus l'objectif de la webcam. Pour beaucoup d'entre elles on peut retirer la grosse bague en plastique permettant de faire la mise au point avec ses gros doigts: un coup d'Opinel peut se révéler nécessaire. L'objectif se présente alors comme un petit cylindre noir, d'environ 1/2 pouce (1,27cm) de diamètre, à vérifier: c'est lui qui conditionne le diamètre du tube qui constitue le corps du spectrophotomètre.. Dans mon cas, le tube de gaine électrique convenait bien. Un bouchon de stylo-marqueur peut aussi faire l'affaire...

La fente sera constituée d'une lame de rasoir dont les deux bords coupants sont rapprochés à environ 1/10ème de millimètre. La mesure n'est pas nécessaire, un bon coup d'oeil suffit. J'ai utilisé plusieurs réseaux diapos, celui ayant donné les résultats ci-dessous était un 600 traits/mm. Il est important de bien décentrer la fente, si l'on veut que l'ordre zéro (l'image de la fente) et le spectre d'ordre 1 tiennent en entier sur la matrice de la webcam. L'opération un peu délicate est d'aligner les traits du réseau avec la fente. Le plus simple est d'introduire d'abord le réseau dans son tube, appuyé contre la bague intérieure. Puis, en mettant l'oeil à la place de la webcam, en visant le ciel par exemple, de positionner la fente pour que l'on voie le spectre s'étaler perpendiculairement à la fente.

Ensuite, placez le tube sur l'objectif de la webcam: il faut que la mise au point soit faite sur la fente. On peut par exemple tourner le tube qui entraîne la rotation de l'objectif, qui réalise alors la mise au point sur la fente. Une fois celle-ci faite, comme la fente est probablement orientée n'importe comment, on retire le tube délicatement et on le replace fente verticale, sans plus toucher à la mise au point.

Voilà à quoi ressemble votre engin de compétition une fois terminé et monté:

...De l'allure, non?...

Voici un exemple de capture faite avec ce montage sur une lampe basse consommation (vapeurs de mercure). Ici, l'alignement des traits du réseau sur la fente n'était pas parfait, ce qui n'est pas une catastrophe:

Mais maintenant, comment faire de la "spectrophotométrie"? Mission: obtenir le spectre de la menthe à l'eau...

Il faut placer la menthe diluée dans une petite cuve transparente, si-possible à faces parallèles. La cuve sera positionnée juste devant la fente de notre spectro. On envoie la lumière d'une ampoule à filament (spectre continu) à travers la solution, le spectro observe alors la lumière qui survit à la traversée. Voici la disposition:

Mais, deux problèmes surgissent: notre spectre n'est pas gradué en longueur d'onde et en plus, chaque caméra réagissant d'une certaine manière à chaque couleur, on ne sait pas si un déficit en lumière reçue à une certaine longueur d'onde indique une forte absorption par la solution ou bien une faible sensibilité de la caméra pour cette couleur...

Il faut donc capturer trois spectres en tout: un servant à étalonner la caméra en longueur d'onde, un autre où seul le solvant est contenu dans la cuve, et un dernier concernant enfin la solution étudiée.

Un spectre peut être constitué par une image unique capturée par la webcam, mais on améliore le rapport signal/bruit en capturant plutôt une vidéo et en faisant une moyenne de toutes les images. Pour cela, un logiciel conçu au départ pour l'astronomie fait très bien, très rapidement et très gratuitement l'affaire: REGISTAX.

On peut ensuite passer les spectres dans un logiciel de traitement d'images comme Photoshop® ou le très gratuit GIMP, dans le but de les redresser, ou de les recadrer pour avoir l'ordre zéro tout à gauche par exemple.

Il vaut mieux capturer les vidéos en noir et blanc, seule l'intensité lumineuse à chaque longueur d'onde compte. Voici la série des trois spectres nécessaires pour étudier notre menthe à l'eau:

	Spectre d'une lampe basse consommation, au Mercure donc... La raie la plus intense, verte, est à 546 nm. C'est la version noir et blanc" de l'image précédente. L'ordre zéro est à... 0 nm. Ces deux longueurs d'ondes connues suffisent à réaliser l'étalonnage en "lambda".
	Spectre du solvant seul: l'eau. La lampe est cette fois à filament.
	Spectre de la menthe, avec la même lampe. On voit bien que certaines couleurs sont fort diminuées...

Une fois les 3 spectres obtenus, il faut en tracer les profils (intensité en fonction de la longueur d'onde), et surtout le dernier, étalonné en longueur d'onde et intensité. Pour cela, Robert vous a réalisé, rien que pour vous, un petit logiciel, SPECTROPHOTO, en phase de test, permettant de réaliser ces opérations.

Voici le profil correspondant aux spectres ci-dessus:

A comparer à ce que donne un spectrophotomètre "professionnel":

Les captures de spectres ont été réalisées en plein jour, avec beaucoup de lumières parasites, l'idéal aurait été de se placer dans l'obscurité. Vu l'investissement engagé dans la version bricolée, cela pourrait en valoir la peine, non?...