Development and characterization of a Fourier-transform hyperspectral camera in the thermal infrared based on a birefringent interferometer

Hyperspectral imaging is a technique that improves imaging by adding spectroscopic capabilities. It can be applied to different optical instruments, from microscopes to telescopes, and is employed in a variety of fields, from remote sensing to nanophotonics. To obtain the spectrum from every pixel of the image, a frequency approach is usually followed, in which light is separated into its spectral components with a dispersive element, such as a prism or a grating. However, the Fourier-transform approach guarantees higher throughput and signal-to-noise ratio: it consists of generating an interferogram in every pixel and then obtaining the corresponding spectrum through a Fourier-transform operation. To temporally modulate the light, Michelson interferometers are traditionally employed. However, they are typically cumbersome and vibration-sensitive. In this work, a birefringent interferometer developed at Politecnico di Milano and Consiglio Nazionale delle Ricerche, and named TWINS (Translating-Wedge-based Identical pulses eNcoding System), is used instead. The versatility of the instrument is presented through some applications in the visible spectral range. Its compactness and robust stability make it ideal for remote sensing. In this field, interest is growing towards the thermal infrared spectral range, with wavelengths between 3 and 14 μm, due to the possibility of combining thermography with chemical analysis. This work describes the design, implementation, characterization, and application of a thermal infrared hyperspectral camera based on the TWINS. An interferometric contrast higher than 90%, even with naturally incoherent light, is achieved with a modified interferometer scheme, studied to compensate for a spatial walk-off between ordinary and extraordinary replicas of the light signal. The spectral resolution can be tuned down to 4.25 cm-1, and the throughput advantage enables the use of a 640×480 microbolometer sensor. Since it does not require cooling, unlike the widespread quantum sensors, it permits a much more limited volume and cost. Instrument capabilities are tested in transmission geometry, where infrared spectroscopy allows the study of thin samples, and in emission geometry. A real-case application is then addressed, retrieving the spectral emissivity of several butterfly wings, to study their radiative cooling properties. Finally, possible future adaptations of the setup for reflectance imaging and transmission microscopy are discussed.

L'imaging iperspettrale è una tecnica che migliora l'imaging aggiungendo capacità spettroscopiche. Può essere applicata a diversi sistemi ottici, dai microscopi ai telescopi, ed è utilizzata in una molteplicità di campi, dal remote sensing alla nanofotonica. Per ottenere lo spettro in ciascun pixel dell'immagine, solitamente si segue un approccio in frequenza, dove la luce è separata nelle sue componenti spettrali mediante un elemento dispersivo, come un prisma o un reticolo di diffrazione. Tuttavia, l'approccio a trasformata di Fourier garantisce maggior efficienza e rapporto segnale-rumore: la tecnica consiste nel generare un interferogramma in ciascun pixel e ottenere lo spettro corrispondente attraverso l'operazione di trasformata di Fourier. Per modulare la luce nel tempo, tradizionalmente vengono utilizzati interferometri di Michelson. Tuttavia, questi sono tipicamente ingombranti e sensibili alle vibrazioni. In questo lavoro, si è utilizzato invece un interferometro birifrangente sviluppato al Politecnico di Milano e al Consiglio Nazionale delle Ricerche e denominato TWINS (Translating-Wedge-based Identical pulses eNcoding System). La versatilità dello strumento è presentata attraverso alcune applicazioni nell'intervallo spettrale visibile. La sua compattezza e robustezza lo rendono ideale per il remote sensing. In questo campo, vi è crescente interesse verso la regione spettrale dell'infrarosso termico, con lunghezza d'onda tra 3 e 14 μm, per via della possibilità di combinare la termografia con l'analisi chimica. Questo lavoro descrive il progetto, l'implementazione, la caratterizzazione e l'applicazione di una camera iperspettrale nell'infrarosso termico basata su TWINS. Un contrasto interferometrico maggiore del 90%, anche per luce naturalmente incoerente, è ottenuto mediante uno schema modificato dell'interferometro, studiato per compensare una separazione laterale tra le repliche ordinaria e straordinaria del segnale luminoso. La risoluzione spettrale può essere accordata fino a 4.25 cm-1 e il vantaggio in efficienza consente l'utilizzo come sensore di un microbolometro con 640×480 pixel. Poiché questo non richiede di essere raffreddato, a differenza dei diffusi sensori quantistici, esso permette un volume e un costo molto più contenuti. Le capacità dello strumento sono testate in geometria di trasmissione, dove la spettroscopia infrarossa consente lo studio di campioni sottili, e in geometria di emissione. Un caso reale di applicazione è poi affrontato, ottenendo l'emissività spettrale di diverse ali di farfalla, per studiare le loro proprietà di raffreddamento radiativo. Infine, possibili futuri adattamenti dello strumento per imaging di riflettanza e microscopia di trasmissione sono discussi.