Un FPA de imágenes térmicas es el conjunto de plano focal que convierte la energía infrarroja entrante en datos del detector utilizados para crear una imagen térmica. La resolución del detector le indica cuántos elementos sensores hay disponibles. El tamaño de los píxeles describe su espaciado físico. NETD se relaciona con la sensibilidad térmica. La frecuencia de actualización describe la frecuencia con la que se producen nuevos fotogramas de imagen.
En el centro de esa cadena está el Matriz de plano focalo FPA.
En muchos sistemas modernos de imágenes térmicas no refrigerados, el FPA es una serie de elementos detectores de microbolómetros colocados en el plano focal del sistema óptico infrarrojo. Comprender lo que sucede en esta etapa hace que sea mucho más fácil interpretar las especificaciones que aparecen más adelante en la hoja de datos de un producto térmico.
Para obtener una introducción más amplia a la formación de imágenes térmicas y especificaciones básicas, consulte nuestra guía de imagen térmica para principiantes guía.
¿Qué es una matriz de plano focal?
Una matriz de plano focal es una matriz de detectores bidimensional colocada donde el sistema óptico infrarrojo forma una imagen.
En lugar de escanear la escena con un elemento detector, un FPA contiene muchos elementos detectores dispuestos en filas y columnas. Cada elemento toma muestras de energía infrarroja de una pequeña parte de la escena.
En un microbolómetro FPA no refrigerado, la radiación infrarroja entrante es absorbida por estructuras detectoras muy pequeñas aisladas térmicamente. La energía absorbida provoca un pequeño cambio de temperatura, que cambia una propiedad eléctrica del material sensor. Luego, el circuito de lectura convierte esos cambios en señales eléctricas que pueden procesarse en una imagen térmica. El NIST describe el proceso básico del microbolómetro como la absorción de infrarrojos que calienta un micropuente, seguido de un cambio de resistencia dependiente de la temperatura que se convierte en una señal eléctrica.
Cómo funciona un píxel de microbolómetro
Un microbolómetro típico no es simplemente un píxel de cámara de luz visible en miniatura.
Su estructura de detección está diseñada para absorber la radiación infrarroja mientras permanece aislada térmicamente de la electrónica de lectura subyacente. Los dispositivos modernos no refrigerados suelen utilizar una membrana suspendida conectada al circuito de lectura a través de estructuras de soporte estrechas.
El proceso simplificado es:
- La radiación infrarroja llega al detector.
- El microbolómetro absorbe parte de esa energía.
- Su temperatura cambia ligeramente.
- El material sensible a la temperatura cambia la resistencia eléctrica.
- La electrónica de lectura mide la señal eléctrica resultante.
- La calibración y el procesamiento de imágenes convierten los datos del detector en la imagen que se muestra al usuario.
LYNRED describe de manera similar los microbolómetros LWIR no refrigerados como estructuras suspendidas que contienen material termorresistivo, con circuitos de lectura debajo del conjunto de detectores.
Por lo tanto, el FPA proporciona las mediciones térmicas que forman la base de la imagen. Por sí solo, no determina cómo se verá la presentación final.
Resolución FPA: ¿Cuántos elementos detectores hay?
La resolución del detector térmico normalmente se escribe como un recuento de píxeles horizontales y verticales.
Por ejemplo:
- 384 × 288 = 110.592 elementos del detector
- 640 × 512 = 327.680 elementos del detector
Por lo tanto, un detector de 640 × 512 contiene casi tres veces más elementos sensores que un detector de 384 × 288.
Si dos sistemas utilizan ópticas comparables y cubren el mismo campo de visión, el detector de mayor resolución puede muestrear la escena en ubicaciones más espaciales.
Eso puede proporcionar más información sobre estructuras pequeñas y límites de destino.
Pero la resolución por sí sola no determina la calidad de la imagen final ni el alcance práctico. La calidad de la lente, el campo de visión, el tamaño de los píxeles, la sensibilidad térmica, el enfoque, las condiciones atmosféricas y el procesamiento de imágenes siguen siendo importantes.
La resolución del detector no es la resolución de la pantalla
Esta distinción es importante.
Un dispositivo puede tener:
- una resolución nativa del detector,
- otra resolución de procesamiento,
- y una resolución de pantalla diferente.
Por ejemplo, mostrar una imagen de detector de 384 × 288 en un OLED de mayor resolución no convierte el detector térmico en un FPA de mayor resolución.
La pantalla puede presentar la imagen con mayor fluidez o proporcionar detalles adicionales de la interfaz, pero la medición térmica original aún proviene del conjunto de detectores nativo.
Asimismo, la interpolación o la superresolución no cambian el recuento de píxeles del detector físico.
El paso de píxeles y la resolución FPA funcionan juntos
La resolución le indica cuántos elementos detectores existen.
El tamaño de píxel te indica qué tan separados están físicamente esos elementos.
Esas dos especificaciones siempre deben leerse por separado.
Un detector de 640 × 512 con un paso de 12 μm y un detector de 640 × 512 con un paso de 17 μm contienen el mismo número de elementos detectores, pero las dimensiones físicas de su conjunto son diferentes.
El tamaño de píxel también interactúa con la distancia focal de la lente para determinar el muestreo angular o IFOV.
Es por eso que comparar solo la resolución del detector puede pasar por alto una parte importante de la geometría de la imagen.
Para conocer la relación completa entre las dimensiones del detector de 12 μm y 17 μm y el IFOV, consulte nuestra guía para paso de píxel de 12 μm en imagen térmica.
¿Qué significa la frecuencia de actualización en imágenes térmicas?
La frecuencia de actualización, la velocidad de fotogramas o la frecuencia de la imagen describen la frecuencia con la que el sistema de imágenes térmicas produce un nuevo fotograma de imagen.
Un sistema que opera en:
- 30Hz produce alrededor de 30 nuevos fotogramas por segundo
- 50Hz produce alrededor de 50 nuevos fotogramas por segundo
- 60Hz produce alrededor de 60 nuevos fotogramas por segundo
Expresado como tiempo entre fotogramas, es decir aproximadamente:
- 30Hz → 33,3 ms por cuadro
- 50 Hz → 20 ms por cuadro
- 60 Hz → 16,7 ms por cuadro
Una velocidad de fotogramas más alta proporciona muestras más temporales de una escena en movimiento.
Esto generalmente hace que el movimiento parezca más continuo y puede facilitar la panorámica o el seguimiento de objetos en movimiento.
lo hace no agregar resolución espacial.
Un detector de 384 × 288 que funciona a 60 Hz todavía tiene 384 × 288 elementos detectores nativos.
Asimismo, un detector de 640 × 512 que funciona a 30 Hz todavía contiene más muestras espaciales que un detector de 384 × 288 que funciona a 60 Hz.
La resolución y la velocidad de fotogramas describen diferentes dimensiones del rendimiento.
La frecuencia de actualización no es lo mismo que el tiempo de respuesta del microbolómetro
Otra distinción importante es la diferencia entre velocidad de fotogramas y tiempo de respuesta del detector.
Un microbolómetro no responde instantáneamente a un cambio en la radiación infrarroja entrante. Su estructura térmica necesita tiempo para calentarse o enfriarse hacia la nueva condición.
Este comportamiento suele describirse mediante una constante de tiempo térmica.
FLIR señala que la constante de tiempo térmica en algunas de sus cámaras de microbolómetro es de aproximadamente 7 a 12 ms y advierte específicamente que esto no debe confundirse con el tiempo de integración del detector.
Ese número no es un valor universal para todos los detectores térmicos, pero ilustra el principio:
la frecuencia con la que se leen las tramas y la rapidez con la que responde cada elemento detector son características relacionadas del sistema, pero no son la misma especificación.
Por qué es importante la diferencia
Imagine un sistema térmico que produzca 60 fotogramas por segundo.
El intervalo de fotograma es de aproximadamente 16,7 ms.
Eso no significa automáticamente que el detector pueda resolver perfectamente cada evento térmico que ocurra dentro de ese intervalo.
Si la respuesta térmica del detector es lenta en relación con el movimiento de la escena o el cambio de temperatura, la imagen resultante aún puede mostrar un desenfoque temporal o un contraste reducido en objetos que cambian rápidamente.
Por lo tanto, una alta velocidad de fotogramas no se puede evaluar de forma completamente independiente de las características de respuesta del detector.
La velocidad de fotogramas del sensor y la frecuencia de actualización de la pantalla también son diferentes
Una tercera especificación puede crear confusión: frecuencia de actualización de la pantalla.
El detector térmico puede producir imágenes en una frecuencia mientras la pantalla OLED o LCD se actualiza en otra.
Por ejemplo, una pantalla capaz de actualizarse a 60 Hz no significa automáticamente que el detector térmico esté produciendo 60 fotogramas térmicos únicos cada segundo.
Si la tubería del detector suministra solo 30 fotogramas térmicos por segundo, una pantalla más rápida puede mostrar esos fotogramas sin problemas, pero no puede crear mediciones térmicas físicas adicionales.
Al comparar productos, distinga entre:
- frecuencia de imagen del detector/sensor,
- frecuencia de salida del procesamiento de imágenes,
- frecuencia de actualización de la pantalla.
Siempre que sea posible, la especificación que importa para el movimiento de la escena es la velocidad a la que están disponibles datos de imágenes térmicas genuinamente nuevos.
La resolución y la frecuencia de actualización resuelven diferentes problemas
Es útil pensar en la resolución y la frecuencia de actualización en dos ejes diferentes.
| Especificaciones | Describe principalmente | No te lo dice directamente |
|---|---|---|
| Resolución del detector | Muestreo espacial | Tasa de actualización de movimiento |
| Paso de píxel | Geometría del detector/muestreo angular con la lente | Sensibilidad térmica por sí sola |
| NETD | Sensibilidad a pequeñas diferencias de temperatura en condiciones definidas | Resolución del detector |
| Frecuencia de imagen/velocidad de fotogramas | Muestreo temporal | Detalle espacial |
| Constante de tiempo térmica | Dinámica de respuesta del detector | Número de píxeles del detector |
| Resolución de pantalla | Cómo se presenta la imagen procesada | Resolución FPA nativa |
Esta es la razón por la que una especificación no debe utilizarse como sustituto de otra.
Un detector de mayor resolución no tiene automáticamente una frecuencia de actualización más alta.
Una frecuencia de actualización más alta no produce automáticamente más detalles espaciales.
Y un tamaño de píxel más pequeño no garantiza automáticamente un NETD más bajo.
¿Qué papel juega NETD?
NETD, o diferencia de temperatura equivalente al ruido, es otra especificación relacionada con el detector que frecuentemente se combina con la resolución.
NETD describe la capacidad de un sistema de imágenes térmicas para distinguir pequeñas diferencias en la señal térmica en condiciones de prueba definidas.
Un NETD más bajo generalmente indica una mayor sensibilidad térmica en esas condiciones.
Pero NETD no es otra forma de resolución.
Dos detectores pueden tener la misma resolución y diferentes valores NETD.
Dos detectores también pueden tener especificaciones NETD similares pero diferentes resoluciones, tamaños de píxeles o configuraciones ópticas.
Una forma útil de pensar en la distinción es:
- Resolución: ¿Cuántas muestras espaciales hay disponibles?
- NETD: qué tan pequeña diferencia térmica puede distinguir el sistema en condiciones definidas
- Velocidad de fotogramas: con qué frecuencia se muestrea la escena en el tiempo
Los tres pueden afectar la experiencia de utilizar un dispositivo de imágenes térmicas, pero miden cosas diferentes.
NETD tampoco debe interpretarse como prueba de que un dispositivo puede “ver a través” de la niebla, la lluvia, la vegetación u otras obstrucciones físicas. La transmisión atmosférica y el contraste entre el objetivo y el fondo todavía afectan la señal infrarroja que llega al detector.
De los datos FPA sin procesar a la imagen mostrada
La salida del detector es sólo el comienzo del proceso de obtención de imágenes.
Los datos FPA sin procesar normalmente requieren procesamiento antes de convertirse en la imagen térmica que se muestra en la pantalla.
Dependiendo del dispositivo, la cadena de procesamiento puede incluir:
- calibración del detector,
- corrección de no uniformidad,
- corrección de píxeles defectuosos,
- control automático de ganancia,
- reducción de ruido,
- procesamiento de contraste,
- afilado,
- escalado de imagen,
- mapeo de paleta,
- zoom digital,
- y, en algunos sistemas, procesamiento asistido por redes neuronales o IA.
Esta es la razón por la que dos dispositivos que utilizan sensores con especificaciones similares pueden producir resultados visiblemente diferentes.
El detector define las medidas disponibles. La óptica determina cómo llega la energía infrarroja a ese detector. El procesamiento determina cómo se corrigen y presentan esas mediciones.
Para obtener más información sobre el lado computacional de este proceso, consulte Procesamiento de IA en visores térmicos.
¿Una mayor resolución siempre significa una mejor imagen térmica?
No.
Una resolución más alta del detector es valiosa porque proporciona más muestras espaciales, pero la calidad de la imagen es un resultado del sistema.
Considere un detector de mayor resolución combinado con:
- una lente mal enfocada,
- resolución óptica insuficiente,
- alto ruido del detector,
- procesamiento de imágenes inadecuado,
- o un campo de visión inadecuado.
Los píxeles adicionales no resuelven automáticamente esos problemas.
Por el contrario, un sistema de menor resolución con buena óptica, campo de visión apropiado, fuerte sensibilidad térmica y procesamiento bien ajustado puede funcionar de manera muy efectiva para la aplicación prevista.
Es por eso que la resolución del detector debe tratarse como una especificación importante, no como una clasificación completa del producto.
¿Una frecuencia de actualización más alta significa siempre un mejor rendimiento?
No.
Una velocidad de cuadros más alta es más valiosa cuando la escena o el dispositivo están en movimiento.
Para observaciones principalmente estacionarias, la diferencia entre dos velocidades de fotogramas puede ser menos importante que la resolución del detector, el campo de visión, NETD o el diseño óptico.
Las velocidades de fotogramas más altas también requieren que el detector, la electrónica de lectura y el proceso de procesamiento de imágenes manejen más información por segundo.
Por lo tanto, la velocidad de fotogramas correcta depende del uso previsto y no de un umbral universal.
Declaraciones como:
“Todo lo que esté por debajo de 50 Hz es inadecuado”
son demasiado absolutos.
Los sistemas comerciales de imágenes térmicas existen con muchas velocidades de cuadro diferentes para diferentes aplicaciones. FLIR, por ejemplo, vende sistemas de microbolómetros que van desde frecuencias de imagen de un solo dígito hasta 30 Hz y más, lo que demuestra que la velocidad de fotogramas es una elección de diseño que depende de la aplicación y no un umbral de calidad único.
Cómo comparar correctamente las especificaciones FPA
Al evaluar la sección del detector de una hoja de especificaciones de imágenes térmicas, utilice el siguiente orden.
- Identifique el tipo de detector.
Confirme si el dispositivo utiliza un microbolómetro no refrigerado u otra arquitectura de detector. - Verifique la resolución nativa del detector.
Utilice las dimensiones FPA reales en lugar de la resolución de pantalla o la resolución de salida mejorada. - Verifique el tamaño de los píxeles.
Combine el tono con la distancia focal y el campo de visión al evaluar el muestreo angular. - Compara el campo de visión.
La misma resolución del detector puede comportarse de manera muy diferente detrás de diferentes lentes. - Verifique la frecuencia de la imagen o la velocidad de fotogramas del sensor.
No sustituya la frecuencia de actualización de la pantalla por la frecuencia de la imagen del sensor. - Verifique NETD por separado.
La sensibilidad y la resolución espacial describen características diferentes. - Consultar tiempo de respuesta si el fabricante lo publica.
No asuma que la velocidad de cuadros por sí sola define la respuesta del detector a cambios térmicos rápidos. - Mira el sistema óptico.
La distancia focal, el número f, la transmisión y el enfoque afectan la señal infrarroja que llega al FPA. - Considere el procesamiento de imágenes.
La eliminación de ruido, la nitidez, la calibración y la superresolución pueden cambiar el resultado mostrado. - Compara imágenes reales en condiciones controladas.
Las especificaciones son más útiles cuando la escena, la distancia, la configuración de la lente, el clima y las condiciones de visualización son comparables.
Este mismo enfoque a nivel de sistema es importante al evaluar qué define un visor térmico de gama alta.
Las especificaciones FPA deben leerse como un sistema
La FPA es fundamental para la termografía, pero no es una puntuación de calidad aislada.
La resolución determina el número de muestras del detector nativo.
El tamaño de los píxeles influye en la geometría del detector y, junto con la distancia focal, en el muestreo angular.
El NETD describe la sensibilidad térmica en condiciones especificadas.
La velocidad de fotogramas describe el muestreo temporal.
El tiempo de respuesta del detector afecta la rapidez con la que reaccionan los elementos sensores a los cambios en la energía infrarroja.
La lente determina qué información infrarroja llega al detector, mientras que el proceso de procesamiento determina cómo se corrige y muestra esa información.
Por lo tanto, una hoja de especificaciones térmicas útil no debe reducirse a un único título.
La comparación más significativa proviene de comprender cómo funcionan juntas esas especificaciones.
Preguntas frecuentes
¿Qué significa FPA en termografía?
FPA corresponde a Focal Plane Array (matriz de plano focal). Es la matriz bidimensional de elementos detectores de infrarrojos ubicada en el plano focal del sistema óptico térmico.
¿Es un microbolómetro lo mismo que un FPA?
No exactamente. Un microbolómetro es un elemento detector térmico individual o una tecnología de detectores. Un FPA de microbolómetros no refrigerados contiene muchos elementos microbolométricos dispuestos como una matriz de formación de imágenes.
¿Es 640 × 512 siempre mejor que 384 × 288?
No. Un detector de 640 × 512 contiene más elementos de detección nativos y puede proporcionar un muestreo espacial más fino en condiciones ópticas comparables, pero el rendimiento completo de la imagen también depende del paso de píxeles, el diseño de la lente, el campo de visión, el NETD, el procesamiento y otros factores.
¿60 Hz son siempre mejores que 30 Hz?
No. Una velocidad de cuadros más alta proporciona más muestras temporales y generalmente mejora la continuidad del movimiento, pero si eso importa depende de la aplicación. La velocidad de fotogramas no aumenta la resolución nativa del detector ni mejora automáticamente la sensibilidad térmica.
¿La frecuencia de actualización de la pantalla es la misma que la velocidad de fotogramas del sensor térmico?
No. La pantalla puede actualizarse a una frecuencia diferente a la del detector. Una visualización más rápida no puede crear mediciones térmicas adicionales si el detector y la tubería de procesamiento producen menos marcos térmicos únicos.
¿Un NETD más bajo significa una resolución más alta?
No. NETD describe la sensibilidad térmica, mientras que la resolución describe el número de elementos detectores. Deben evaluarse de forma independiente.
