Imagens espectrais da refletância e da fluorescência

Nos últimos anos, o desenvolvimento de sistemas óticos capazes de formar imagens com resolução espectral tem possibilitado maior precisão nos diagnósticos que envolvem a óptica aplicada às culturas agrícolas. Essa modalidade de imagem, a qual combina a técnica da espectroscopia com a formação de imagens digitais é denominada espectroscopia das ima-gens e permite a análise das propriedades ópticas das amostras com resolução espacial e es-pectral ao mesmo tempo (68). Isto é uma grande vantagem quando comparada às técnicas tradicionais de espectroscopia, as quais só permitem o estudo de uma área muito pequena da amostra.

Uma vez que as imagens necessitam de uma distribuição bi-dimensional de intensidades, a forma mais didática de apresentar a espectroscopia das imagens é através de um cubo de dados espectrais, como mostrado na Figura 2.5. Este cubo é composto por n imagens bi-dimensionais da amostra, concatenadas e em seqüência crescente com a banda espectral de detecção (λ). O número n de imagens determina o número de bandas espectrais em que o sinal óptico foi detectado; por exemplo, na Figura 2.5 são compostas 4 imagens capturadas em 4 bandas espectrais. Cada uma das 4 imagens é chamada imagem espectral. Os dados do cubo estão dispostos de forma que cada um dos pixels das imagens na mesma posição (i,j) pertencem a um espectro do sinal óptico detectado na posição (i,j) da imagem. Há duas formas de compor as imagens espectrais: mantendo o campo de visão fixo e varrendo a detecção espectral ou mantendo a detecção espectral fixa e varrendo a detecção espacial.

Com exceção do elemento óptico que propicia a varredura os demais componentes, para as duas formas de compor imagens espectrais, são os mesmos: lentes objetivas, fontes de

eventualmente as lâmpadas têm sido utilizadas, atualmente os diodos de alto brilho também surgem como alternativa. As câmeras de detecção são um dos mais importantes componentes do sistema, pois está diretamente associada à intensidade do sinal estudado e à resolução temporal do sistema. Câmeras mais sensíveis para detecção de baixos sinais da fluorescência

necessitam resfriamento do sensor, controle de exposição e ganho de detecção; evidentemente tais câmeras são mais caras. Para a refletância não há necessidade de câmeras tão sensíveis, pois em geral o sinal da refletância está na ordem de grandeza da fonte emissora (68).

Figura 2.5 - Cubo de dados espectrais que revela o comportamento de uma propriedade óptica de uma amostra experimental com resolução espectral e espacial. Adaptada da figura 6.15 do livro Biomedical Photonics Handbook, CRC Press, 2003. Fonte: VO-DIHN, T. Biomedical Photonics Handbook. Boca Ra-ton: CRC Press, 2003.

2.2.3.1 Imagens com varredura espectral

Nesta forma de compor imagens espectrais é necessária a utilização de um elemento óptico que possibilite sintonizar uma banda espectral de detecção da fluorescência. Exemplos desses elementos são as rodas de filtros ópticos passa-banda e os filtros ópticos sintonizáveis.

As rodas de filtro são elementos mecânicos que selecionam a banda de detecção deslocando filtros ópticos passa-banda. Nestes, a roda de filtros é controlada por computador e qualquer filtro óptico passa-banda de vidro dopado, polímero, ou filtro de interferência pode ser çoplado à roda. Neste caso a qualidade do filtro determina a resolução espectral da imagem;

em geral os filtros ópticos comerciais apresentam um pico de transmissão máxima e uma lar-gura espectral de banda variando entre 10 e 20 nm. O pico caracteriza a banda de transmissão do filtro. Uma alternativa aos filtros ópticos passa-banda são os filtros sintonizáveis, que con-trolam eletronicamente a banda espectral passante sem movimento das partes. Os mais co-muns são os filtros sintonizáveis com cristal líquido (no inglês Liquid Cristal Tunable Filter, LCTF) que são baseados nos filtros de Lyot e utiliza placas de quartzo como elemento birre-frigente para selecionar a banda espectral passante. Esse filtro consegue selecionar bandas de transmissão em regiões espectrais bem definidas como o visível (400 a 720 nm) ou o infra-vermelho próximo (650 a 1100 nm) transmitindo bandas com largura variando entre 1 e 20 nm (68).

2.2.3.2 Imagens com varredura espacial

Os sistemas de imagens espectrais com varredura espacial se baseiam em manter a de-tecção espectral constante e variar o campo de visão do sistema. Para isso necessitam o uso de espectrógrafos, elementos ópticos que difratam o sinal óptico do campo de visão formando as imagens. Em geral os espectrógrafos são formados por conjuntos de grades de difração, con-juntos de prismas ópticos ou cristais não-lineares, para qualquer um desses elementos é neces-sário reduzir o campo de visão do sistema para evitar a sobreposição da informação espacial com a espectral; a redução do campo de visão implica a varredura espacial do sistema sobre a

amostra caso a região de interesse na amostra seja maior que o campo de visão do sistema (16,19). É a redução do campo de visão que determina a resolução espectral do sistema.

Um exemplo de composição de imagens espectrais com varredura do campo de visão é apresentado na Figura 2.6 e foi obtido da referência (19). Nesta figura as amostras são ma-çãs (Figura 2.6a) e o sistema de imagens é composto por um espectrógrafo que varre as amos-tras em linha. O resultado de uma imagem do espectrógrafo é mostrado na Figura 2.6b; ela apresenta a variação de intensidades com resolução espectral entre 400 e 1000 nm e espacial ao longo do campo de visão descrito pela linha branca na Figura 2.6ª. Varrendo o sistema sobre toda a região de interesse é possível compor as imagens espectrais da refletância ou da fluorescência; a partir dessas são calculadas as imagens das razões da refletância (Figura 2.6c) ou da fluorescência (2.6d).

Figura 2.6 - Exemplo de composição de imagens espectrais com varredura espacial. (a) Região de interesse estudada e o campo de visão (linha branca) do sistema. (b) Imagem do espectrógrafo capturada pela câ-mera CCD da emissão do campo de visão da figura (a). Os resultados do experimento são imagens da razão de imagens espectrais da refletância (c) e da fluorescência (d) das amostras. Fonte: CHEN, Y;

CHAO, K.; KIM, M. S. Machine vision technology for agricultural Applications, Computers and Elec-tronics in Agriculture, v. 36, p. 173-191, 2002