スペクトル忠実度の確保：ハイパースペクトルカメラ品質の最適化

ハイパースペクトルイメージングは、イメージングと分光法を組み合わせたものです。ハイパースペクトルシステムを作るために多くの異なる光学アーキテクチャが使用されますが、最終目標は同じです——画像の各ピクセルが多くのスペクトルバンド（多くの異なる色や波長）からの情報を含む画像を作ることです。

優れたハイパースペクトルシステムを作るのは簡単ではありませんが、品質のみを重視するなら、最高優先事項は各ピクセルのスペクトル忠実度でなければなりません——すなわち、1ピクセルが取得したスペクトルが、その特定のピクセルが撮像したシーンの実際の物理的表現であることです。ハイパースペクトルシステムのスペクトル忠実度に影響を与える多くの重要な品質パラメータがあります。それらの影響は多くの要因に依存しますが、一般的に最も重要なパラメータは：

• 空間ミスレジストレーション

• スペクトルミスレジストレーション

• ストレイライト

• F値（F#）

• スペクトル応答関数

• 検出器パラメータ

• 環境安定性

ハイパースペクトルシステムの性能を評価するには、点拡がり関数（PSF）という用語を導入する必要があります。これは、点光源から光学系を通じて検出器に到達するエネルギーの強度曲線の形状です。

理想的には、プッシュブルームハイパースペクトルシステムでは、空間サンプリングはすべてのバンドで同じです。現実にはこれは決して真ではなく、空間ミスレジストレーションを生じます。

視野内の1位置について、PSFの形状、サイズ、重心位置はすべてのバンドで同じであるべきです。設計目標は、PSFの形状とサイズを視野内のすべての位置で可能な限り類似させることです。実用アプリケーションでは、空間ミスレジストレーション自体¹と、空間ミスレジストレーションを引き起こす様々な原因²が非常に重要であり、重心の違い³がデータ処理結果をどう損なうかを示せます。

スペクトルミスレジストレーションも、ハイパースペクトルシステムのスペクトル忠実度にとって非常に重要です。空間ミスレジストレーションと同様に、スペクトルPSFの形状、サイズ、位置が重要です。スペクトルエイリアシングを避けるには、PSFの幅を2スペクトルバンドに近く保つべきですが、多くの状況ではこれよりシャープな光学系が好まれます。

ピクセル単位・バンド単位でシャープな光学系を作る理由はたくさんあります。与えられた検出器で、与えられた検出器ピッチがある場合、撮像分光器はシャープな光学系で常により多くの情報を出力します。一方で、PSFを複数ピクセルでサンプリングするとPSFについてより多くの情報が得られますが、与えられた検出器ではシステムの分解能を低下させます。与えられた光学システムは、ポイントスプレッドファンクション（PSF）あたりのピクセル数が多いほど、常により多くの情報を出力します⁴。

システムを決める際、またはユーザーにとってどのシステムを買うか決める際には、多くのトレードオフがあります。光学系のシャープネスはその1つです。

もう1つの重要な品質パラメータは、光学系のストレイライトです。一般的に、ストレイライトは本来到達すべきでない場所から検出器に到達する光です。これは光学内部での反射、光学表面からの散乱、機械表面での反射などが原因となります。ストレイライト効果はスペクトル範囲によって異なる場合があります。今日、ハイパースペクトルシステムのストレイライト測定に関する業界標準はなく、異なるサプライヤーが異なる方法で行っています。

光学の集光能力は通常非常に重要なパラメータです（低F#）。システム内の空間ピクセルとスペクトルバンドが多いほど、各ピクセル/バンドに到達する光は少なくなります。これは、高分解能ハイパースペクシャルイメージングシステムが非常に感度が高くなければならないことを意味します。このパラメータの重要性はプラットフォームによって異なります。ハイパースペクトルシステムが航空機や産業現場に展開される場合、速度が通常重要なパラメータであり、低F#は全スペクトル範囲で良好な信号対雑音比（SNR）を得るために非常に重要です。逆に、ラボアプリケーションでは通常、より遅い画像取得レートと長い積分時間でより多くの光を集められるため、絞りについてより柔軟に対応できます。

全スペクトル範囲での高SNRは、ハイパースペクトルシステムの非常に重要なパラメータであり、SNRがどれほど高いかはシステム全体のスペクトル応答関数に依存します。ピークSNRは飽和に近いバンドからの最大SNRのみを指定するため、全体像を伝えません。システム全体の全量子効率が波長の関数としてどうなっているかも知る必要があります。有用な情報を提供するには、SNR曲線を、与えられた入力放射輝度と与えられた（運用上現実的/関連性のある）積分時間/露光で指定する必要があります。

検出器はハイパースペクトルシステムの重要な部分であり、多くの場合光学システムの設計目標を定義します。SWIRスペクトル範囲（900-2500nm）では利用可能な検出器が非常に限られ、検出器のピクセル数増加に伴い価格が劇的に上昇します。これは光学系が検出器向けに設計され、通常可能な限りシャープに設計されるシナリオです。

VNIR範囲（400-1000nm）では多くの検出器が利用可能で、光学システムに最も適した検出器を選択できます。VNIRとSWIRの両範囲で、検出器の多くのパラメータが非常に重要です。これらは満井容量、ノイズフロア、読み出しモード、読み出し速度、ピクセルピッチ、波長関数としての量子効率などです。検出器市場は常に変化しており、ハイパースペクトルメーカーが検出器市場を追跡し、利用可能な最高の検出器を統合することは重要です。

校正手順と使用標準（精度含む）はユーザーに提供可能でなければならず、NISTやPTB標準（または類似）にトレーサブルな放射輝度校正があることは、したがって非常に重要です。

いかなるハイパースペクトルシステムも、制御環境外で安定した正確な放射輝度・スペクトル・幾何学的校正を維持する必要があります。工場出荷時に完璧に校正されていても、輸送後と操作中に安定・有効でなければ無意味です。これは、スペクトル、放射輝度、幾何学的校正が、異なる温度、圧力、激しい振動下で安定していなければならないことを意味し、UAV運用のような要求の厳しい条件下でシステムが繰り返し可能で信頼性の高い結果を提供することを保証します^5,6。

サプライヤーのトップレベルデータシートから異なるハイパースペクトルシステムを判別するのは非常に困難です。異なるメーカーのシステム（または同じメーカーの異なるモデル）を比較する際、前述のパラメータを特定のカメラモデルについて詳細に記載したレポートがサプライヤーから提供されるべきです。また、ユーザーのアプリケーションに関連するシーンのサンプルデータを請求することも推奨されます。

現在、IEEEによって主催されるハイパースペクトルカメラの共通規格化に向けたアクションがあります⁷。HySpexはこのグループを支援し、積極的に関与しており、ハイパースペクトルイメージングシステムのエンドユーザーにとって提供内容をより透明にすることを目指しています。

この記事は、Trond Løke（CEO、Norsk Elektro Optikk、AS、オスロ、ノルウェー）によって執筆されました。詳細については、メールアドレスはスパムボットから保護されています。表示にはJavaScriptが必要です。、またはこちらをご覧ください。

参考文献

1. https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/8706/1/Resampling-in-hyperspectral-cameras-as-an-alternative-to-correcting-keystone/10.1117/12.2015491.short
2. https://www.spiedigitallibrary.org/journals/Optical-Engineering/volume-59/issue-08/084103/Spatial-misregistration-in-hyperspectral-cameras-lab-characterization-and-impact/10.1117/1.OE.59.8.084103.full?SSO=1
3. https://www.hyspex.com/keystone/
4. https://www.hyspex.com/sharp_optics_many_pixels/
5. https://www.hyspex.com/scientific_grade_uav/
6. https://www.hyspex.com/quality_vs620/
7. https://standards.ieee.org/project/4001.html