Bei einem Wärmebild-FPA handelt es sich um ein Focal-Plane-Array, das eingehende Infrarotenergie in Detektordaten umwandelt, die zur Erstellung eines Wärmebildes verwendet werden. Die Detektorauflösung gibt an, wie viele Sensorelemente verfügbar sind. Der Pixelabstand beschreibt ihren physischen Abstand. NETD bezieht sich auf die thermische Empfindlichkeit. Die Bildwiederholfrequenz beschreibt, wie häufig neue Bildrahmen erzeugt werden.
Im Zentrum dieser Kette steht die Focal-Plane-Array, oder FPA.
Bei vielen modernen ungekühlten Wärmebildsystemen handelt es sich bei der FPA um eine Anordnung von Mikrobolometer-Detektorelementen, die in der Brennebene des optischen Infrarotsystems positioniert sind. Wenn Sie verstehen, was in dieser Phase passiert, können Sie die Spezifikationen, die später in einem Datenblatt eines Wärmeprodukts erscheinen, viel einfacher interpretieren.
Eine ausführlichere Einführung in die Wärmebilderzeugung und grundlegende Spezifikationen finden Sie in unserem Leitfaden zur Wärmebildtechnik für Einsteiger Leitfaden.
Was ist ein Focal-Plane-Array?
Ein Focal Plane Array ist ein zweidimensionales Detektorarray, das dort positioniert ist, wo das optische Infrarotsystem ein Bild erzeugt.
Anstatt die Szene mit einem Detektorelement abzutasten, enthält ein FPA viele Detektorelemente, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Jedes Element erfasst Infrarotenergie aus einem kleinen Teil der Szene.
In einem ungekühlten Mikrobolometer FPA wird die einfallende Infrarotstrahlung von sehr kleinen thermisch isolierten Detektorstrukturen absorbiert. Die absorbierte Energie verursacht eine kleine Temperaturänderung, die eine elektrische Eigenschaft des Sensormaterials verändert. Die Ausleseschaltung wandelt diese Änderungen dann in elektrische Signale um, die in ein Wärmebild verarbeitet werden können. NIST beschreibt den grundlegenden Mikrobolometerprozess als Infrarot-Absorptionserwärmung einer Mikrobrücke, gefolgt von einer temperaturabhängigen Widerstandsänderung, die in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
So funktioniert ein Mikrobolometer-Pixel
Ein typisches Mikrobolometer ist nicht einfach ein Miniaturpixel einer Kamera mit sichtbarem Licht.
Seine Sensorstruktur ist so konzipiert, dass sie Infrarotstrahlung absorbiert und gleichzeitig von der darunter liegenden Ausleseelektronik thermisch isoliert bleibt. Moderne ungekühlte Geräte verwenden üblicherweise eine aufgehängte Membran, die über schmale Stützstrukturen mit dem Auslesekreis verbunden ist.
Der vereinfachte Prozess ist:
- Infrarotstrahlung erreicht den Detektor.
- Das Mikrobolometer absorbiert einen Teil dieser Energie.
- Seine Temperatur ändert sich leicht.
- Das temperaturempfindliche Material verändert den elektrischen Widerstand.
- Eine Ausleseelektronik misst das resultierende elektrische Signal.
- Durch Kalibrierung und Bildverarbeitung werden die Detektordaten in das dem Benutzer angezeigte Bild umgewandelt.
LYNRED beschreibt ungekühlte LWIR-Mikrobolometer in ähnlicher Weise als schwebende Strukturen, die thermoresistives Material enthalten, mit Ausleseschaltkreisen unter dem Detektorarray.
Der FPA liefert daher die thermischen Messungen, die die Grundlage des Bildes bilden. Es allein bestimmt nicht, wie die endgültige Anzeige aussehen wird.
FPA-Auflösung: Wie viele Detektorelemente gibt es?
Die Auflösung des Wärmedetektors wird normalerweise als horizontale und vertikale Pixelzahl angegeben.
Zum Beispiel:
- 384 × 288 = 110.592 Detektorelemente
- 640 × 512 = 327.680 Detektorelemente
Ein 640 × 512-Detektor enthält daher fast dreimal so viele Sensorelemente wie ein 384 × 288-Detektor.
Wenn zwei Systeme eine vergleichbare Optik verwenden und das gleiche Sichtfeld abdecken, kann der Detektor mit höherer Auflösung die Szene an räumlicheren Orten abtasten.
Dies kann weitere Informationen über kleine Strukturen und Zielgrenzen liefern.
Die Auflösung allein bestimmt jedoch nicht die endgültige Bildqualität oder den praktischen Bereich. Objektivqualität, Sichtfeld, Pixelabstand, thermische Empfindlichkeit, Fokus, atmosphärische Bedingungen und Bildverarbeitung sind nach wie vor wichtig.
Die Detektorauflösung ist nicht die Anzeigeauflösung
Diese Unterscheidung ist wichtig.
Ein Gerät kann Folgendes haben:
- eine native Detektorauflösung,
- eine andere Verarbeitungsauflösung,
- und eine andere Bildschirmauflösung.
Wenn Sie beispielsweise ein 384 × 288-Detektorbild auf einem OLED mit höherer Auflösung anzeigen, wird der Wärmedetektor nicht in einen FPA mit höherer Auflösung umgewandelt.
Das Display kann das Bild flüssiger darstellen oder zusätzliche Schnittstellendetails liefern, aber die ursprüngliche Wärmemessung stammt immer noch vom nativen Detektorarray.
Ebenso ändern Interpolation oder Superauflösung nicht die Pixelanzahl des physischen Detektors.
Pixelabstand und FPA-Auflösung arbeiten zusammen
Die Auflösung gibt an, wie viele Detektorelemente vorhanden sind.
Der Pixelabstand sagt Ihnen, wie weit diese Elemente physisch voneinander entfernt sind.
Diese beiden Spezifikationen sollten immer getrennt gelesen werden.
Ein 640 × 512-Detektor mit 12 μm Abstand und ein 640 × 512-Detektor mit 17 μm Abstand enthalten die gleiche Anzahl an Detektorelementen, ihre physikalischen Array-Abmessungen sind jedoch unterschiedlich.
Der Pixelabstand interagiert auch mit der Brennweite des Objektivs, um die Winkelabtastung oder IFOV zu bestimmen.
Aus diesem Grund kann beim Vergleich nur der Detektorauflösung ein wichtiger Teil der Abbildungsgeometrie außer Acht gelassen werden.
Die vollständige Beziehung zwischen 12 μm, 17 μm, Detektorabmessungen und IFOV finden Sie in unserem Leitfaden zu 12-μm-Pixelpitch in der Wärmebildtechnik.
Was bedeutet die Bildwiederholfrequenz bei der Wärmebildtechnik?
Die Bildwiederholfrequenz, Bildrate oder Bildfrequenz beschreibt, wie oft das Wärmebildsystem ein neues Bild erzeugt.
Ein System, das arbeitet bei:
- 30 Hz produziert etwa 30 neue Bilder pro Sekunde
- 50 Hz produziert etwa 50 neue Bilder pro Sekunde
- 60 Hz produziert etwa 60 neue Bilder pro Sekunde
Ausgedrückt als Zeit zwischen Frames beträgt das ungefähr:
- 30 Hz → 33,3 ms pro Frame
- 50 Hz → 20 ms pro Frame
- 60 Hz → 16,7 ms pro Frame
Eine höhere Bildrate liefert mehr zeitliche Samples einer bewegten Szene.
Dies lässt die Bewegung im Allgemeinen kontinuierlicher erscheinen und kann das Schwenken oder Verfolgen bewegter Objekte einfacher machen.
Das tut es nicht räumliche Auflösung hinzufügen.
Ein 384 × 288-Detektor, der bei 60 Hz läuft, verfügt immer noch über 384 × 288 native Detektorelemente.
Ebenso enthält ein 640 × 512-Detektor, der mit 30 Hz läuft, immer noch mehr räumliche Proben als ein 384 × 288-Detektor, der mit 60 Hz läuft.
Auflösung und Bildrate beschreiben unterschiedliche Leistungsdimensionen.
Die Aktualisierungsrate ist nicht dasselbe wie die Reaktionszeit des Mikrobolometers
Ein weiterer wichtiger Unterschied ist der Unterschied zwischen Bildrate und Reaktionszeit des Detektors.
Ein Mikrobolometer reagiert nicht sofort auf eine Änderung der einfallenden Infrarotstrahlung. Seine thermische Struktur benötigt Zeit, um sich in den neuen Zustand zu erwärmen oder abzukühlen.
Dieses Verhalten wird häufig durch eine thermische Zeitkonstante beschrieben.
FLIR weist darauf hin, dass die thermische Zeitkonstante in einigen seiner Mikrobolometerkameras etwa 7–12 ms beträgt und warnt ausdrücklich davor, diese Zeitkonstante mit der Detektorintegrationszeit zu verwechseln.
Diese Zahl ist nicht für jeden Wärmemelder ein universeller Wert, verdeutlicht aber das Prinzip:
Wie oft Frames ausgelesen werden und wie schnell jedes Detektorelement reagiert, sind verwandte Systemmerkmale, es handelt sich jedoch nicht um die gleiche Spezifikation.
Warum der Unterschied wichtig ist
Stellen Sie sich ein thermisches System vor, das 60 Bilder pro Sekunde erzeugt.
Das Frame-Intervall beträgt ca. 16,7 ms.
Das bedeutet nicht automatisch, dass der Detektor jedes in diesem Intervall auftretende thermische Ereignis perfekt auflösen kann.
Wenn die thermische Reaktion des Detektors im Verhältnis zu Szenenbewegungen oder Temperaturänderungen langsam ist, kann das resultierende Bild bei sich schnell ändernden Objekten immer noch zeitliche Unschärfe oder einen verringerten Kontrast aufweisen.
Eine hohe Bildrate kann daher nicht völlig unabhängig von den Reaktionseigenschaften des Detektors bewertet werden.
Die Bildwiederholfrequenz des Sensors und die Bildwiederholfrequenz des Displays sind ebenfalls unterschiedlich
Eine dritte Spezifikation kann Verwirrung stiften: Bildwiederholfrequenz anzeigen.
Der Wärmedetektor kann Bilder mit einer Frequenz erzeugen, während das OLED- oder LCD-Display mit einer anderen Frequenz aktualisiert.
Beispielsweise bedeutet eine Anzeige, die mit 60 Hz aktualisiert werden kann, nicht automatisch, dass der Wärmedetektor jede Sekunde 60 einzigartige Wärmebilder erzeugt.
Wenn die Detektorpipeline nur 30 thermische Bilder pro Sekunde liefert, kann eine schnellere Anzeige diese Bilder zwar flüssig anzeigen, aber keine zusätzlichen physikalischen thermischen Messungen erstellen.
Unterscheiden Sie beim Produktvergleich zwischen:
- Bildfrequenz des Detektors/Sensors,
- Ausgangsfrequenz der Bildverarbeitung,
- Bildwiederholrate des Displays.
Wann immer möglich, ist die Spezifikation, die für die Szenenbewegung ausschlaggebend ist, die Rate, mit der wirklich neue Wärmebilddaten verfügbar sind.
Auflösung und Bildwiederholfrequenz lösen verschiedene Probleme
Es ist sinnvoll, Auflösung und Bildwiederholfrequenz entlang zweier verschiedener Achsen zu betrachten.
| Spezifikation | Beschreibt hauptsächlich | Es sagt es Ihnen nicht direkt |
|---|---|---|
| Detektorauflösung | Räumliche Abtastung | Aktualisierungsrate der Bewegung |
| Pixelabstand | Detektorgeometrie / Winkelabtastung mit der Linse | Wärmeempfindlichkeit an sich |
| NETD | Empfindlichkeit gegenüber kleinen Temperaturunterschieden unter definierten Bedingungen | Detektorauflösung |
| Bildfrequenz/Bildrate | Zeitliche Abtastung | Räumliche Detailauflösung |
| Thermische Zeitkonstante | Reaktionsdynamik des Detektors | Anzahl der Detektorpixel |
| Bildschirmauflösung | Wie das verarbeitete Bild dargestellt wird | Native FPA-Auflösung |
Aus diesem Grund sollte eine Spezifikation nicht als Ersatz für eine andere verwendet werden.
Ein Detektor mit höherer Auflösung hat nicht automatisch eine höhere Bildwiederholfrequenz.
Eine höhere Bildwiederholfrequenz führt nicht automatisch zu mehr räumlichen Details.
Und ein kleinerer Pixelabstand garantiert nicht automatisch eine niedrigere NETD.
Welche Rolle spielt NETD?
NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) ist eine weitere detektorbezogene Spezifikation, die häufig mit der Auflösung vermischt wird.
NETD beschreibt die Fähigkeit eines Wärmebildsystems, unter definierten Testbedingungen kleine Unterschiede im Wärmesignal zu unterscheiden.
Eine niedrigere NETD weist im Allgemeinen auf eine höhere thermische Empfindlichkeit unter diesen Bedingungen hin.
Aber NETD ist keine andere Form der Lösung.
Zwei Detektoren können die gleiche Auflösung und unterschiedliche NETD-Werte haben.
Zwei Detektoren können auch ähnliche NETD-Spezifikationen, aber unterschiedliche Auflösungen, Pixelabstände oder optische Konfigurationen haben.
Eine nützliche Möglichkeit, über die Unterscheidung nachzudenken, ist:
- Auflösung: wie viele räumliche Proben verfügbar sind
- NETD: wie gering der thermische Unterschied ist, den das System unter definierten Bedingungen unterscheiden kann
- Bildrate: wie oft die Szene zeitlich abgetastet wird
Alle drei können das Erlebnis bei der Nutzung eines Wärmebildgeräts beeinflussen, messen aber unterschiedliche Dinge.
NETD sollte auch nicht als Beweis dafür interpretiert werden, dass ein Gerät durch Nebel, Regen, Vegetation oder andere physische Hindernisse „durchschauen“ kann. Die atmosphärische Transmission und der Kontrast zwischen Ziel und Hintergrund wirken sich immer noch auf das Infrarotsignal aus, das den Detektor erreicht.
Von den FPA-Rohdaten zum angezeigten Bild
Die Detektorausgabe ist nur der Anfang der Bildgebungspipeline.
Rohe FPA-Daten müssen normalerweise verarbeitet werden, bevor daraus das auf dem Display angezeigte Wärmebild wird.
Je nach Gerät kann die Verarbeitungskette Folgendes umfassen:
- Detektorkalibrierung,
- Ungleichmäßigkeitskorrektur,
- Korrektur fehlerhafter Pixel,
- automatische Verstärkungsregelung,
- Lärmreduzierung,
- Kontrastverarbeitung,
- schärfen,
- Bildskalierung,
- Palettenzuordnung,
- digitaler Zoom,
- und in einigen Systemen neuronale Netzwerke oder KI-gestützte Verarbeitung.
Aus diesem Grund können zwei Geräte, die Sensoren mit ähnlichen Hauptspezifikationen verwenden, immer noch sichtbar unterschiedliche Ergebnisse erzeugen.
Der Detektor definiert die verfügbaren Messungen. Die Optik bestimmt, wie Infrarotenergie diesen Detektor erreicht. Die Verarbeitung bestimmt, wie diese Messungen korrigiert und dargestellt werden.
Weitere Informationen zur rechnerischen Seite dieser Pipeline finden Sie unter KI-Verarbeitung in Wärmebild-Zielfernrohren.
Bedeutet eine höhere Auflösung immer ein besseres Wärmebild?
Nein.
Eine höhere Detektorauflösung ist wertvoll, da sie mehr räumliche Proben liefert, aber die Bildqualität ist ein Systemergebnis.
Betrachten Sie einen Detektor mit höherer Auflösung gepaart mit:
- ein schlecht fokussiertes Objektiv,
- unzureichende optische Auflösung,
- hohes Detektorrauschen,
- unsachgemäße Bildbearbeitung,
- oder ein ungeeignetes Sichtfeld.
Die zusätzlichen Pixel lösen diese Probleme nicht automatisch.
Umgekehrt kann ein System mit niedrigerer Auflösung, guter Optik, angemessenem Sichtfeld, hoher thermischer Empfindlichkeit und gut abgestimmter Verarbeitung für die beabsichtigte Anwendung eine sehr effektive Leistung erbringen.
Aus diesem Grund sollte die Detektorauflösung als wichtige Spezifikation betrachtet werden und nicht als vollständige Produktbewertung.
Bedeutet eine höhere Aktualisierungsrate immer eine bessere Leistung?
Nein.
Eine höhere Bildrate ist am wertvollsten, wenn sich die Szene oder das Gerät bewegt.
Bei meist stationärer Beobachtung ist der Unterschied zwischen zwei Bildraten möglicherweise weniger wichtig als die Detektorauflösung, das Sichtfeld, die NETD oder das optische Design.
Höhere Bildraten erfordern außerdem, dass der Detektor, die Ausleseelektronik und die Bildverarbeitungspipeline mehr Informationen pro Sekunde verarbeiten müssen.
Die richtige Bildrate hängt daher vom Verwendungszweck und nicht von einem universellen Schwellenwert ab.
Aussagen wie:
„Alles unter 50 Hz ist unzureichend“
sind zu absolut.
Kommerzielle Wärmebildsysteme gibt es mit vielen verschiedenen Bildraten für unterschiedliche Anwendungen. FLIR beispielsweise verkauft Mikrobolometersysteme im einstelligen Bildfrequenzbereich bis hin zu 30 Hz und mehr, was zeigt, dass die Bildrate eine anwendungsabhängige Designentscheidung und nicht ein einzelner Qualitätsschwellenwert ist.
So vergleichen Sie die FPA-Spezifikationen richtig
Halten Sie sich bei der Bewertung des Detektorabschnitts eines Wärmebild-Spezifikationsblatts an die folgende Reihenfolge.
- Identifizieren Sie den Detektortyp.
Bestätigen Sie, ob das Gerät ein ungekühltes Mikrobolometer oder eine andere Detektorarchitektur verwendet. - Überprüfen Sie die native Detektorauflösung.
Verwenden Sie die tatsächlichen FPA-Abmessungen anstelle der Anzeigeauflösung oder der erweiterten Ausgabeauflösung. - Überprüfen Sie den Pixelabstand.
Kombinieren Sie die Neigung mit der Brennweite und dem Sichtfeld, wenn Sie die Winkelabtastung bewerten. - Sichtfeld vergleichen.
Die gleiche Detektorauflösung kann sich hinter verschiedenen Objektiven sehr unterschiedlich verhalten. - Überprüfen Sie die Bildfrequenz oder die Bildfrequenz des Sensors.
Ersetzen Sie nicht die Bildwiederholfrequenz des Displays durch die Bildfrequenz des Sensors. - Überprüfen Sie NETD separat.
Empfindlichkeit und Ortsauflösung beschreiben unterschiedliche Eigenschaften. - Überprüfen Sie die Reaktionszeit, wenn der Hersteller sie veröffentlicht.
Gehen Sie nicht davon aus, dass die Bildrate allein die Reaktion des Detektors auf schnelle Temperaturänderungen bestimmt. - Schauen Sie sich das optische System an.
Brennweite, Blendenzahl, Transmission und Fokus beeinflussen das Infrarotsignal, das den FPA erreicht. - Denken Sie über Bildverarbeitung nach.
Rauschunterdrückung, Schärfung, Kalibrierung und Superauflösung können das angezeigte Ergebnis verändern. - Vergleichen Sie reale Bilder unter kontrollierten Bedingungen.
Spezifikationen sind am nützlichsten, wenn Szene, Entfernung, Objektiveinstellungen, Wetter und Anzeigebedingungen vergleichbar sind.
Derselbe Ansatz auf Systemebene ist bei der Bewertung wichtig was ein hochwertiges Wärmebildzielfernrohr ausmacht.
FPA-Spezifikationen sollten als System gelesen werden
Der FPA ist für die Wärmebildtechnik von grundlegender Bedeutung, stellt jedoch keinen isolierten Qualitätsfaktor dar.
Die Auflösung bestimmt die Anzahl der nativen Detektorproben.
Der Pixelabstand beeinflusst die Detektorgeometrie und zusammen mit der Brennweite die Winkelabtastung.
NETD beschreibt die thermische Empfindlichkeit unter festgelegten Bedingungen.
Die Bildrate beschreibt die zeitliche Abtastung.
Die Reaktionszeit des Detektors beeinflusst, wie schnell die Sensorelemente auf sich ändernde Infrarotenergie reagieren.
Das Objektiv bestimmt, welche Infrarotinformationen den Detektor erreichen, während die Verarbeitungspipeline bestimmt, wie diese Informationen korrigiert und angezeigt werden.
Ein nützliches thermisches Datenblatt sollte daher nicht auf eine einzige Schlagzeile reduziert werden.
Der aussagekräftigste Vergleich ergibt sich aus dem Verständnis, wie diese Spezifikationen zusammenarbeiten.
FAQ
Was bedeutet FPA in der Wärmebildtechnik?
FPA steht für Focal Plane Array (Fokusebenen-Matrix). Es handelt sich dabei um die zweidimensionale Anordnung von Infrarot-Detektorelementen, die sich in der Fokusebene des thermischen optischen Systems befindet.
Ist ein Mikrobolometer dasselbe wie ein FPA?
Nicht ganz. Ein Mikrobolometer ist ein einzelnes thermisches Detektorelement oder eine Detektorttechnologie. Ein ungekühltes Mikrobolometer-FPA enthält viele Mikrobolometerelemente, die als Bildgebungs-Array angeordnet sind.
Ist 640 × 512 immer besser als 384 × 288?
Nein. Ein Detektor mit 640 × 512 Elementen enthält mehr native Detektorelemente und kann unter vergleichbaren optischen Bedingungen eine feinere räumliche Abtastung ermöglichen, aber die vollständige Bildleistung hängt zudem von Pixelabstand, Linsendesign, Sichtfeld, NETD, Signalverarbeitung und weiteren Faktoren ab.
Ist 60 Hz immer besser als 30 Hz?
Nein. Eine höhere Bildrate liefert mehr temporale Abtastwerte und verbessert in der Regel die Bewegungskontinuität, aber ob das wichtig ist, hängt von der Anwendung ab. Die Bildrate erhöht weder die native Detektorauflösung noch verbessert sie automatisch die thermische Empfindlichkeit.
Ist die Bildwiederholfrequenz der Anzeige dasselbe wie die Bildrate des Wärmebildsensors?
Nein. Das Display wird möglicherweise mit einer anderen Frequenz als der Detektor aktualisiert. Ein schnelleres Display kann keine zusätzlichen Temperaturmessungen erzeugen, wenn der Detektor und die Verarbeitungspipeline weniger eindeutige Wärmebilder liefern.
Bedeutet ein niedrigerer NETD-Wert eine höhere Auflösung?
Nein. NETD beschreibt die thermische Empfindlichkeit, während die Auflösung die Anzahl der Detektorelemente beschreibt. Sie sollten unabhängig voneinander bewertet werden.
