Un FPA d'imagerie thermique est le réseau à plan focal qui convertit l'énergie infrarouge entrante en données de détecteur utilisées pour créer une image thermique. La résolution du détecteur vous indique combien d’éléments de détection sont disponibles. Le pas des pixels décrit leur espacement physique. NETD concerne la sensibilité thermique. Le taux de rafraîchissement décrit la fréquence à laquelle de nouvelles images sont produites.
Au centre de cette chaîne se trouve le Réseau de plans focaux, ou FPA.
Dans de nombreux systèmes d'imagerie thermique modernes non refroidis, le FPA est un ensemble d'éléments détecteurs de microbolomètre positionnés sur le plan focal du système optique infrarouge. Comprendre ce qui se passe à cette étape facilite grandement l’interprétation des spécifications qui apparaîtront plus tard dans la fiche technique d’un produit thermique.
Pour une introduction plus large à la formation d'images thermiques et aux spécifications de base, consultez notre guide de l’imagerie thermique pour débutants guide.
Qu'est-ce qu'un réseau à plan focal ?
Un réseau à plan focal est un réseau de détecteurs bidimensionnel positionné à l'endroit où le système optique infrarouge forme une image.
Au lieu de scanner la scène avec un seul élément détecteur, un FPA contient de nombreux éléments détecteurs disposés en rangées et en colonnes. Chaque élément échantillonne l’énergie infrarouge d’une petite partie de la scène.
Dans un microbolomètre FPA non refroidi, le rayonnement infrarouge entrant est absorbé par de très petites structures de détecteurs thermiquement isolées. L'énergie absorbée provoque un léger changement de température, qui modifie une propriété électrique du matériau de détection. Les circuits de lecture convertissent ensuite ces changements en signaux électriques qui peuvent être traités en image thermique. Le NIST décrit le processus de base du microbolomètre comme une absorption infrarouge chauffant un micropont, suivie d'un changement de résistance dépendant de la température qui est converti en signal électrique.
Comment fonctionne un pixel de microbolomètre
Un microbolomètre typique n’est pas simplement un pixel miniature d’une caméra à lumière visible.
Sa structure de détection est conçue pour absorber le rayonnement infrarouge tout en restant thermiquement isolée de l'électronique de lecture sous-jacente. Les appareils modernes non refroidis utilisent généralement une membrane suspendue connectée au circuit de lecture via des structures de support étroites.
Le processus simplifié est le suivant :
- Le rayonnement infrarouge atteint le détecteur.
- Le microbolomètre absorbe une partie de cette énergie.
- Sa température change légèrement.
- Le matériau sensible à la température modifie la résistance électrique.
- L'électronique de lecture mesure le signal électrique résultant.
- L'étalonnage et le traitement de l'image convertissent les données du détecteur en image présentée à l'utilisateur.
LYNRED décrit de la même manière les microbolomètres LWIR non refroidis comme des structures suspendues contenant un matériau thermorésistant, avec des circuits de lecture sous le réseau de détecteurs.
Le FPA fournit donc les mesures thermiques qui constituent la base de l'image. Il ne détermine pas, à lui seul, à quoi ressemblera l’affichage final.
Résolution FPA : combien d’éléments de détection y a-t-il ?
La résolution du détecteur thermique est normalement écrite sous forme de nombre de pixels horizontaux et verticaux.
Par exemple :
- 384 × 288 = 110 592 éléments du détecteur
- 640 × 512 = 327 680 éléments du détecteur
Un détecteur 640 × 512 contient donc presque trois fois plus d’éléments sensibles qu’un détecteur 384 × 288.
Si deux systèmes utilisent des optiques comparables et couvrent le même champ de vision, le détecteur à plus haute résolution peut échantillonner la scène à des emplacements plus spatiaux.
Cela peut fournir plus d’informations sur les petites structures et les limites cibles.
Mais la résolution à elle seule ne détermine pas la qualité finale de l’image ni la portée pratique. La qualité de l’objectif, le champ de vision, le pas des pixels, la sensibilité thermique, la mise au point, les conditions atmosphériques et le traitement de l’image comptent toujours.
La résolution du détecteur n'est pas la résolution d'affichage
Cette distinction est importante.
Un appareil peut avoir :
- une résolution native du détecteur,
- une autre résolution de traitement,
- et une résolution d'affichage différente.
Par exemple, l'affichage d'une image de détecteur 384 × 288 sur un OLED à plus haute résolution ne transforme pas le détecteur thermique en un FPA à plus haute résolution.
L'écran peut présenter l'image de manière plus fluide ou fournir des détails d'interface supplémentaires, mais la mesure thermique d'origine provient toujours du réseau de détecteurs natif.
De même, l'interpolation ou la super-résolution ne modifie pas le nombre de pixels du détecteur physique.
Le pas de pixel et la résolution FPA fonctionnent ensemble
La résolution vous indique combien d’éléments détecteurs existent.
Le pas de pixel vous indique à quelle distance se trouvent physiquement ces éléments.
Ces deux spécifications doivent toujours être lues séparément.
Un détecteur 640 × 512 avec un pas de 12 μm et un détecteur 640 × 512 avec un pas de 17 μm contiennent le même nombre d'éléments détecteurs, mais les dimensions physiques de leur réseau sont différentes.
Le pas des pixels interagit également avec la distance focale de l'objectif pour déterminer l'échantillonnage angulaire, ou IFOV.
C'est pourquoi comparer uniquement la résolution du détecteur peut manquer une partie importante de la géométrie de l'imagerie.
Pour connaître la relation complète entre 12 μm, 17 μm, les dimensions du détecteur et l'IFOV, consultez notre guide pour le pas de pixel de 12 μm en imagerie thermique.
Que signifie le taux de rafraîchissement en imagerie thermique ?
Le taux de rafraîchissement, la fréquence d'images ou la fréquence d'image décrit la fréquence à laquelle le système d'imagerie thermique produit une nouvelle image.
Un système fonctionnant à :
- 30 Hz produit environ 30 nouvelles images par seconde
- 50 Hz produit environ 50 nouvelles images par seconde
- 60 Hz produit environ 60 nouvelles images par seconde
Exprimé en temps entre les images, cela équivaut à environ :
- 30 Hz → 33,3 ms par image
- 50 Hz → 20 ms par image
- 60 Hz → 16,7 ms par image
Une fréquence d'images plus élevée fournit davantage d'échantillons temporels d'une scène en mouvement.
Cela rend généralement le mouvement plus continu et peut faciliter le panoramique ou le suivi des objets en mouvement.
C'est le cas pas ajouter une résolution spatiale.
Un détecteur 384 × 288 fonctionnant à 60 Hz possède toujours 384 × 288 éléments de détection natifs.
De même, un détecteur 640 × 512 fonctionnant à 30 Hz contient toujours plus d'échantillons spatiaux qu'un détecteur 384 × 288 fonctionnant à 60 Hz.
La résolution et la fréquence d’images décrivent différentes dimensions des performances.
Le taux de rafraîchissement n'est pas le même que le temps de réponse du microbolomètre
Une autre distinction importante est la différence entre fréquence d'images et temps de réponse du détecteur.
Un microbolomètre ne répond pas instantanément à un changement du rayonnement infrarouge entrant. Sa structure thermique a besoin de temps pour chauffer ou refroidir jusqu'à atteindre son nouvel état.
Ce comportement est souvent décrit par une constante de temps thermique.
FLIR note que la constante de temps thermique de certaines de ses caméras microbolométriques est d'environ 7 à 12 ms et prévient spécifiquement qu'elle ne doit pas être confondue avec le temps d'intégration du détecteur.
Ce nombre n'est pas une valeur universelle pour chaque détecteur thermique, mais il illustre le principe :
la fréquence de lecture des trames et la rapidité avec laquelle chaque élément du détecteur répond sont des caractéristiques du système liées, mais elles ne correspondent pas à la même spécification.
Pourquoi la différence est importante
Imaginez un système thermique produisant 60 images par seconde.
L'intervalle de trame est d'environ 16,7 ms.
Cela ne signifie pas automatiquement que le détecteur peut parfaitement résoudre chaque événement thermique se produisant dans cet intervalle.
Si la réponse thermique du détecteur est lente par rapport au mouvement de la scène ou au changement de température, l'image résultante peut toujours présenter un flou temporel ou un contraste réduit sur des objets changeant rapidement.
Une fréquence d'images élevée ne peut donc pas être évaluée de manière totalement indépendante des caractéristiques de réponse du détecteur.
La fréquence d’images du capteur et la fréquence de rafraîchissement de l’affichage sont également différentes
Une troisième spécification peut créer de la confusion : taux de rafraîchissement de l'affichage.
Le détecteur thermique peut produire des images à une fréquence tandis que l'écran OLED ou LCD se met à jour à une autre.
Par exemple, un affichage capable de se rafraîchir à 60 Hz ne signifie pas automatiquement que le détecteur thermique produit 60 images thermiques uniques chaque seconde.
Si le pipeline de détection ne fournit que 30 images thermiques par seconde, un affichage plus rapide peut afficher ces images de manière fluide, mais il ne peut pas créer de mesures thermiques physiques supplémentaires.
Lorsque vous comparez des produits, faites la distinction entre :
- fréquence d'image du détecteur/capteur,
- fréquence de sortie du traitement d'image,
- afficher le taux de rafraîchissement.
Dans la mesure du possible, la spécification qui compte pour le mouvement de la scène est la vitesse à laquelle de véritables nouvelles données d'image thermique sont disponibles.
La résolution et le taux de rafraîchissement résolvent différents problèmes
Il est utile de réfléchir à la résolution et au taux de rafraîchissement selon deux axes différents.
| Spécification | Décrit principalement | Cela ne vous le dit pas directement |
|---|---|---|
| Résolution du détecteur | Échantillonnage spatial | Taux de mise à jour du mouvement |
| Pas de pixels | Géométrie du détecteur / échantillonnage angulaire avec l'objectif | Sensibilité thermique en elle-même |
| NETD | Sensibilité aux petites différences de température dans des conditions définies | Résolution du détecteur |
| Fréquence d'image / fréquence d'images | Échantillonnage temporel | Détail spatial |
| Constante de temps thermique | Dynamique de réponse du détecteur | Nombre de pixels du détecteur |
| Résolution d'affichage | Comment l'image traitée est présentée | Résolution FPA native |
C’est pourquoi une spécification ne doit pas se substituer à une autre.
Un détecteur à plus haute résolution n’a pas automatiquement un taux de rafraîchissement plus élevé.
Un taux de rafraîchissement plus élevé ne produit pas automatiquement plus de détails spatiaux.
Et un pas de pixel plus petit ne garantit pas automatiquement un NETD inférieur.
Quel rôle joue NETD ?
NETD, ou Noise Equivalent Temperature Difference, est une autre spécification liée au détecteur qui est fréquemment mélangée à la résolution.
NETD décrit la capacité d'un système d'imagerie thermique à distinguer de petites différences de signal thermique dans des conditions de test définies.
Un NETD inférieur indique généralement une plus grande sensibilité thermique dans ces conditions.
Mais NETD n’est pas une autre forme de résolution.
Deux détecteurs peuvent avoir la même résolution et des valeurs NETD différentes.
Deux détecteurs peuvent également avoir des spécifications NETD similaires mais des résolutions, des pas de pixels ou des configurations optiques différents.
Une façon utile de réfléchir à la distinction est la suivante :
- Résolution : combien d'échantillons spatiaux sont disponibles
- NETD : quelle est la petite différence thermique que le système peut distinguer dans des conditions définies
- Fréquence d'images : à quelle fréquence la scène est échantillonnée dans le temps
Ces trois éléments peuvent affecter l’expérience d’utilisation d’un appareil d’imagerie thermique, mais ils mesurent des choses différentes.
NETD ne doit pas non plus être interprété comme une preuve qu’un appareil peut « voir à travers » le brouillard, la pluie, la végétation ou d’autres obstacles physiques. La transmission atmosphérique et le contraste entre la cible et l'arrière-plan affectent toujours le signal infrarouge atteignant le détecteur.
Des données FPA brutes à l'image affichée
La sortie du détecteur n’est que le début du pipeline d’imagerie.
Les données FPA brutes nécessitent normalement un traitement avant de devenir l'image thermique affichée à l'écran.
Selon le périphérique, la chaîne de traitement peut comprendre :
- l'étalonnage du détecteur,
- correction de non-uniformité,
- correction des mauvais pixels,
- contrôle automatique du gain,
- réduction du bruit,
- traitement de contraste,
- l'affûtage,
- mise à l'échelle de l'image,
- mappage de palettes,
- zoom numérique,
- et, dans certains systèmes, un réseau neuronal ou un traitement assisté par l'IA.
C'est pourquoi deux appareils utilisant des capteurs avec des spécifications similaires peuvent toujours produire des résultats visiblement différents.
Le détecteur définit les mesures disponibles. L'optique détermine comment l'énergie infrarouge atteint ce détecteur. Le traitement détermine la manière dont ces mesures sont corrigées et présentées.
Pour en savoir plus sur le côté informatique de ce pipeline, voir Traitement de l'IA dans les lunettes de visée thermiques.
Une résolution plus élevée signifie-t-elle toujours une meilleure image thermique ?
Non.
Une résolution de détecteur plus élevée est précieuse car elle fournit davantage d’échantillons spatiaux, mais la qualité de l’image est un résultat du système.
Considérons un détecteur à plus haute résolution associé à :
- un objectif mal focalisé,
- résolution optique insuffisante,
- bruit de détecteur élevé,
- traitement d'image inapproprié,
- ou un champ de vision inapproprié.
Les pixels supplémentaires ne résolvent pas automatiquement ces problèmes.
À l’inverse, un système à faible résolution doté d’une bonne optique, d’un champ de vision approprié, d’une forte sensibilité thermique et d’un traitement bien réglé peut fonctionner très efficacement pour l’application prévue.
C'est pourquoi la résolution du détecteur doit être traitée comme une spécification importante et non comme un classement complet des produits.
Un taux de rafraîchissement plus élevé signifie-t-il toujours de meilleures performances ?
Non.
Une fréquence d'images plus élevée est particulièrement utile lorsque la scène ou l'appareil est en mouvement.
Pour une observation essentiellement stationnaire, la différence entre deux fréquences d'images peut être moins importante que la résolution du détecteur, le champ de vision, le NETD ou la conception optique.
Des fréquences d'images plus élevées nécessitent également que le détecteur, l'électronique de lecture et le pipeline de traitement d'image traitent plus d'informations par seconde.
La fréquence d’images correcte dépend donc de l’utilisation prévue plutôt que d’un seuil universel.
Des déclarations telles que :
"Tout ce qui est inférieur à 50 Hz est insuffisant"
sont trop absolus.
Les systèmes d'imagerie thermique commerciaux existent à de nombreuses fréquences d'images différentes pour différentes applications. FLIR, par exemple, vend des systèmes de microbolomètres allant de fréquences d'image à un chiffre jusqu'à 30 Hz et au-delà, démontrant que la fréquence d'images est un choix de conception dépendant de l'application plutôt qu'un seuil de qualité unique.
Comment comparer correctement les spécifications FPA
Lors de l’évaluation de la section relative au détecteur d’une fiche technique d’imagerie thermique, utilisez l’ordre suivant.
- Identifiez le type de détecteur.
Confirmez si l'appareil utilise un microbolomètre non refroidi ou une autre architecture de détecteur. - Vérifiez la résolution native du détecteur.
Utilisez les dimensions réelles du FPA plutôt que la résolution d'affichage ou la résolution de sortie améliorée. - Vérifiez le pas des pixels.
Combinez le pas avec la distance focale et le champ de vision lors de l'évaluation de l'échantillonnage angulaire. - Comparez le champ de vision.
La même résolution de détecteur peut se comporter de manière très différente derrière différentes lentilles. - Vérifiez la fréquence de l’image ou la fréquence d’images du capteur.
Ne remplacez pas la fréquence de rafraîchissement de l’affichage par la fréquence de l’image du capteur. - Vérifiez NETD séparément.
La sensibilité et la résolution spatiale décrivent différentes caractéristiques. - Vérifiez le temps de réponse si le fabricant le publie.
Ne présumez pas que la fréquence d’images définit à elle seule la réponse du détecteur aux changements thermiques rapides. - Regardez le système optique.
La distance focale, le nombre f, la transmission et la mise au point affectent le signal infrarouge atteignant le FPA. - Pensez au traitement d’image.
Le débruitage, la netteté, l'étalonnage et la super-résolution peuvent modifier le résultat affiché. - Comparez des images réelles dans des conditions contrôlées.
Les spécifications sont plus utiles lorsque la scène, la distance, les réglages de l’objectif, les conditions météorologiques et d’affichage sont comparables.
Cette même approche au niveau du système est importante lors de l’évaluation ce qui définit une lunette thermique haut de gamme.
Les spécifications FPA doivent être lues comme un système
Le FPA est fondamental pour l’imagerie thermique, mais il ne s’agit pas d’un score de qualité isolé.
La résolution détermine le nombre d’échantillons de détecteurs natifs.
Le pas des pixels influence la géométrie du détecteur et, avec la distance focale, l'échantillonnage angulaire.
Le NETD décrit la sensibilité thermique dans des conditions spécifiées.
La fréquence d'images décrit l'échantillonnage temporel.
Le temps de réponse du détecteur affecte la rapidité avec laquelle les éléments de détection réagissent aux changements d'énergie infrarouge.
La lentille détermine quelles informations infrarouges atteignent le détecteur, tandis que le pipeline de traitement détermine comment ces informations sont corrigées et affichées.
Une fiche de spécifications thermiques utile ne doit donc pas être réduite à un seul numéro de titre.
La comparaison la plus significative consiste à comprendre comment ces spécifications fonctionnent ensemble.
FAQ
Que signifie FPA en imagerie thermique ?
FPA signifie Focal Plane Array (matrice de plan focal). C'est la matrice bidimensionnelle d'éléments détecteurs infrarouges située au plan focal du système optique thermique.
Un microbolomètre est-il le même qu'un FPA ?
Pas exactement. Un microbolomètre est un élément détecteur thermique individuel ou une technologie de détection. Un plan focal (FPA) à microbolomètres non refroidis contient de nombreux éléments microbolomètres disposés sous forme de matrice d'imagerie.
Est-ce que 640 × 512 est toujours meilleur que 384 × 288 ?
Non. Un détecteur de 640 × 512 contient davantage d'éléments détecteurs natifs et peut offrir un échantillonnage spatial plus fin dans des conditions optiques comparables, mais les performances globales de l'image dépendent également du pas des pixels, de la conception de l'optique, du champ de vision, du NETD, du traitement et d'autres facteurs.
Est-ce que 60 Hz est toujours mieux que 30 Hz ?
Non. Une fréquence d'images plus élevée fournit davantage d'échantillons temporels et améliore généralement la continuité du mouvement, mais son importance dépend de l'application. La fréquence d'images n'augmente pas la résolution native du détecteur et n'améliore pas automatiquement la sensibilité thermique.
La fréquence de rafraîchissement de l'écran est-elle la même que la fréquence d'images du capteur thermique ?
Non. L’affichage peut se rafraîchir à une fréquence différente de celle du détecteur. Un affichage plus rapide ne peut pas créer de mesures thermiques supplémentaires si le détecteur et le pipeline de traitement produisent moins de trames thermiques uniques.
Un NETD inférieur signifie-t-il une résolution plus élevée ?
Non. NETD décrit la sensibilité thermique, tandis que la résolution décrit le nombre d'éléments détecteurs. Ils doivent être évalués de manière indépendante.
