Characterizing the Spectral Responsivity of a Hyperspectral Camera

Abstract

Hyperspectral cameras take pictures containing wavelength information of the imaged view. The wavelength information, or spectrum, is imaged via dozens of spectral channels of the camera. The number of channels defines the spectral resolution of the imaging hardware, and the characteristics of the channels, such as bandwidth, define its spectral accuracy. The acquired spectral information can be used, for example, to identify imaged materials.

In this thesis, the spectral responsivity of a Fabry-Pérot-interferometer-based hyperspectral camera was characterized. For this purpose, an automated measurement setup and analysis software were developed. The most integral part of the measurement setup was a tunable monochromatic radiance source. The spectral bandwidth and wavelength scale of this source were characterized with a reference spectroradiometer, and the relative spectral radiance with a reference pyroelectric radiometer.

The spectral responsivities of the channels of the camera were measured as a function of both wavelength and pixel coordinates. The peak responsivities of the channels varied by 20% on average. Compared with the factory calibration, the measured centroids of the channels deviated by an average of 0.54 nm and the measured channel bandwidths by an average of 10%. The channel centroids shifted by up to 2.5 nm when moving from the image center to the image corner. The expanded uncertainties (k=2) for the channel peak spectral responsivities and channel bandwidths were 10% and 8%, respectively. Expanded uncertainty for the centroid wavelengths was 0.40 nm.

The results were validated by imaging a radiance source, whose spectrum was measured also with a spectroradiometer. Compared with the factory calibration, the new calibration reduced the relative difference in the measured spectral radiance from 14% to 5%.

Hyperspektriset kamerat ottavat kuvia, joihin tallentuu kuvattujen kohteiden sähkömagneettinen spektri. Spektri havainnoidaan kameran kymmenien aallonpituuskanavien kautta. Aallonpituuskanavien määrä määrittää kameran spektrisen resoluution. Kanavien ominaisuudet, kuten kaistanleveys, määrittävät kameran spektrisen tarkkuuden. Mitattuja spektrejä voidaan käyttää esimerkiksi kuvassa näkyvien materiaalien tunnistamiseen.

Tässä työssä rakennettiin automatisoitu mittausjärjestelmä ja analysointiohjelmisto, joita käytettiin Fabry-Pérot-interferometriin pohjautuvan hyperspektrisen kameran spektrisen vasteen karakterisoinnissa. Mittausjärjestelmän keskeisin osa oli säädettävä monokromaattinen säteilylähde. Lähteen spektrinen kaistanleveys, aallonpituuspoikkeama ja radianssi karakterisoitiin referenssilaitteistoilla.

Mittauksissa selvitettiin kanavien muoto ja suhteellinen vaste sekä aallonpituuden että pikselikoordinaattien funktiona. Kanavien suhteelliset maksimivasteet vaihtelivat keskimäärin 20\% maksimien keskiarvoon nähden. Tehdaskalibrointiin verrattuna kanavien mitatut aallonpituuskeskipisteet poikkesivat ilmoitetuista keskimäärin 0.54 nm, ja mitatut kaistanleveydet keskimäärin 10%. Kanavien aallonpituuskeskipisteet siirtyivät 2.5 nm liikuttaessa kuvan keskipisteestä reunoille. Laajennettu mittausepävarmuus (k=2) oli kanavien maksimivasteille 10%, kaistanleveyksille 8% ja aallonpituuskeskipisteille 0.40 nm.

Tulokset varmennettiin kuvaamalla kameralla spektriltään tunnettua radianssilähdettä. Tehdaskalibrointiin verrattuna uusi kalibrointi vähensi mittaustulosten ja referenssispektrin suhteellista eroa 14%:sta 5%:iin.