Pas de pixel de 12 μm en imagerie thermique : ce que cela change — et ce que cela ne change pas

Les spécifications des détecteurs thermiques peuvent paraître d’une simplicité trompeuse. La résolution, le NETD, le taux de rafraîchissement et le pas de pixel sont souvent répertoriés côte à côte, ce qui permet de supposer facilement qu'un nombre plus petit signifie automatiquement une meilleure image thermique.

Le pas de pixel ne fonctionne pas de cette façon.

Un pas de pixel de 12 μm est largement utilisé dans les conceptions de détecteurs thermiques modernes et peut offrir des avantages importants en termes d'échantillonnage spatial, de taille de détecteur et de conception de système optique. Mais il ne détermine pas à lui seul la qualité de l’image, la sensibilité thermique ou la plage de détection.

Pour comprendre ce que 12 μm change réellement, il est utile de séparer la géométrie du détecteur du reste du système d’imagerie thermique.

Pour une introduction plus large à la résolution du détecteur, à la sensibilité thermique et à la formation d'images, commencez par notre guide de l’imagerie thermique pour débutants guide.

Que signifie le pas de pixel dans un détecteur thermique ?

Le pas de pixel est la distance centre à centre entre les éléments détecteurs voisins dans un réseau à plan focal, ou FPA.

Un détecteur spécifié comme ayant un Pas de pixel de 12 μm place les centres des pixels adjacents à 12 micromètres l'un de l'autre. Un détecteur de 17 μm utilise un espacement de 17 micromètres.

Ce nombre décrit la géométrie physique. Il ne vous indique pas combien de pixels contient le détecteur.

Par exemple, ce sont des spécifications distinctes :

• Résolution du détecteur : 384 × 288, 640 × 512 ou autre format de matrice
• Pas de pixel : 12 μm, 17 μm ou une autre valeur

Un détecteur peut donc avoir un petit pas de pixel sans avoir un nombre de pixels élevé, et un détecteur à plus grand pas peut toujours avoir une résolution totale plus élevée.

Le pas de pixel et la résolution du détecteur ne sont pas la même chose

Considérons deux détecteurs hypothétiques mesurant tous deux 640 pixels de large.

Avec un pas de 12 μm, la largeur active représentée par ces 640 positions de pixels est d'environ :

640 × 12μm = 7,68 mm

Avec un pas de 17μm :

640 × 17μm = 10,88 mm

Cet exemple ne dit pas qu’un détecteur produit une meilleure image. Cela montre que le même nombre de pixels peut occuper une zone physique plus petite lorsque le pas des pixels est réduit.

Cette différence a des conséquences sur la conception des lentilles, le champ de vision et l'échantillonnage angulaire.

Comment le pas de pixel affecte l'IFOV

L'un des concepts les plus utiles pour comprendre le pas des pixels est Champ de vision instantané, ou IFOV.

IFOV décrit la partie angulaire de la scène représentée par un pixel de détecteur individuel. En géométrie optique simplifiée, le pixel IFOV est approximativement lié à :

pas de pixel ÷ distance focale

Cela signifie que le pas des pixels ne peut pas être évalué indépendamment de l'objectif.

Pour la même distance focale, un pas de pixel plus petit produit un IFOV angulaire plus petit. Chaque pixel couvre alors une plus petite partie angulaire de la scène.

Un IFOV plus fin peut placer plus de points d'échantillonnage sur une cible distante et améliorer la quantité d'informations spatiales disponibles pour interpréter cette cible. Mais le résultat dépend encore du système optique et détecteur complet.

Même objectif, pas de pixel différent

À titre d'exemple simplifié, imaginez deux détecteurs utilisés derrière le même objectif de focale de 50 mm.

En ignorant les autres effets optiques :

• 12μm ÷ 50 mm ≈ 0,24 mrad
• 17μm ÷ 50 mm ≈ 0,34 mrad

La configuration 12μm présente donc un échantillonnage angulaire théorique plus fin.

Cependant, si les deux détecteurs ont également le même nombre de pixels, le réseau physiquement plus petit de 12 μm produira normalement un champ de vision plus étroit avec le même objectif.

Cela peut être utile pour l'observation à plus longue distance, mais un champ de vision plus large peut être préférable dans d'autres applications.

Il n’existe pas de choix universellement correct sans tenir compte de la géométrie de visualisation requise.

Pourquoi des pixels plus petits peuvent prendre en charge des conceptions optiques plus compactes

Un autre avantage d'un pas de pixel plus petit apparaît lorsque l'objectif est de maintenir un échantillonnage angulaire similaire tout en réduisant la taille optique.

Étant donné que l'IFOV dépend à la fois du pas de pixel et de la distance focale, un pas de pixel plus petit peut permettre d'obtenir un échantillonnage angulaire par pixel similaire avec une distance focale plus courte qu'un détecteur à pas plus grand.

En utilisant uniquement le rapport de pas :

12 ÷ 17 ≈ 0,71

Dans une comparaison idéalisée, cela signifie qu'un détecteur de 12 μm pourrait utiliser environ 71 % de la distance focale d'un détecteur de 17 μm tout en conservant un échantillonnage angulaire similaire entre le pas et la distance focale.

Cela ne signifie pas que chaque dispositif thermique de 12 μm est 29 % plus petit. La conception du boîtier, l'ouverture, le diamètre de l'objectif, le mécanisme de mise au point, l'ensemble du détecteur, l'électronique et d'autres composants déterminent toujours les dimensions du produit final.

Cela explique pourquoi les détecteurs à pas plus petit offrent aux ingénieurs optiques plus de flexibilité pour équilibrer le grossissement, le champ de vision et la taille du boîtier.

Pour un examen plus approfondi de la relation entre la distance focale, le champ de vision et la taille apparente de la cible, consultez notre guide sur le grossissement des lunettes thermiques.

12 μm signifie-t-il une résolution thermique plus élevée ?

Pas automatiquement.

La résolution thermique native est déterminée par le nombre de pixels actifs du détecteur.

Par exemple :

• 640 × 512 contient plus de pixels du détecteur que 384 × 288
• 384 × 288 à 12 μm ne devient pas 640 × 512 simplement parce que ses pixels sont plus petits
• Le pas de pixel et la résolution du détecteur doivent donc toujours être répertoriés séparément

Un pas plus petit peut permettre à davantage de pixels de s'insérer dans une zone physique donnée du détecteur, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles la technologie des détecteurs a évolué vers des géométries de pixels plus petites.

Mais la résolution réelle d'un détecteur fini dépend toujours du format de réseau sélectionné par le fabricant.

12 μm signifie-t-il automatiquement un meilleur NETD ?

Non.

NETD, ou Noise Equivalent Temperature Difference, décrit la capacité d'un système d'imagerie thermique à distinguer de petites différences de température dans des conditions de test spécifiées.

Le pas des pixels est un facteur dans l'architecture du détecteur, mais le NETD dépend également du matériau du détecteur, de la structure des pixels, du facteur de remplissage, de l'électronique de lecture, des conditions d'intégration, du nombre f optique, de l'étalonnage et du traitement du signal.

Il existe également un compromis technique associé à la réduction de la taille des pixels.

Si la géométrie des pixels carrés est comparée directement, un pixel de 12 μm × 12 μm a une aire géométrique de 144 micromètres carrés, tandis qu'un pixel de 17 μm × 17 μm a une aire de 289 micromètres carrés.

Le pixel le plus petit possède donc environ la moitié de la surface géométrique.

Cela ne veut pas dire qu’il doit avoir une mauvaise sensibilité thermique. L’ingénierie moderne des détecteurs peut compenser par l’amélioration des matériaux, des structures, des circuits de lecture et du traitement des images. Les détecteurs commerciaux actuels de 12 μm peuvent atteindre des valeurs NETD très faibles.

Mais ça veut dire que 12 μm en soi n'est pas une spécification de sensibilité thermique.

Les spécifications réelles des détecteurs commerciaux le démontrent clairement : il existe des familles de détecteurs de 12 μm et de 17 μm avec différentes valeurs NETD en fonction de la conception du détecteur.

Lors de la comparaison de dispositifs thermiques, NETD doit donc être lu indépendamment du pas de pixel.

Pas de pixel, champ de vision et grossissement de base

Le pas des pixels influence également le champ de vision lorsque d'autres variables restent constantes.

Si deux détecteurs ont :

• la même résolution,
• la même distance focale d'objectif,
• mais des pas de pixels différents,

le détecteur à pas plus petit a un réseau physiquement plus petit et couvre donc généralement un champ de vision plus étroit.

Un champ de vision plus étroit fait que les objets occupent une plus grande partie de l’image affichée, ce qui peut donner l’impression d’un plus grand grossissement optique ou de base.

C'est pourquoi les détecteurs à pas plus petit peuvent être intéressants dans les systèmes conçus pour l'observation à plus longue distance.

Mais le compromis compte.

Un champ de vision étroit peut rendre plus difficile la numérisation de vastes zones, en particulier à des distances plus courtes. Un champ de vision plus large peut faciliter l’acquisition de cibles et la connaissance de la situation.

Aucune des deux caractéristiques n’est universellement meilleure.

La configuration correcte dépend de la distance d'observation prévue, de la taille de la cible et de la couverture de scène requise.

Un pas de pixel plus petit augmente-t-il la plage de détection ?

Il peut contribuer à un meilleur échantillonnage spatial, mais il ne détermine pas indépendamment la plage de détection, de reconnaissance ou d’identification.

Un IFOV plus petit peut placer plus de pixels sur une cible à une distance donnée lorsque la configuration optique le prend en charge. En général, des pixels plus utiles sur une cible peuvent améliorer les informations spatiales disponibles pour la détection et la reconnaissance.

Cependant, la portée réelle dépend également de :

• résolution du détecteur,
• distance focale de l'objectif,
• champ de vision,
• transmission optique,
• qualité de mise au point,
• NETD et performances signal/bruit,
• taille cible,
• contraste thermique cible-arrière-plan,
• les conditions atmosphériques,
• traitement d'images,
• conditions d’affichage et de visualisation.

C'est pourquoi une affirmation telle que « 12 μm peuvent identifier une cible à une distance spécifique » est incomplète à moins que l'ensemble de la configuration de test et des critères de cible ne soient définis.

Le pas de pixel doit être traité comme un élément de la performance spatiale et non comme une évaluation de portée autonome.

Que se passe-t-il pendant le zoom numérique ?

Le zoom numérique ne modifie pas le pas de pixel physique du détecteur.

Il agrandit les données déjà capturées.

Si une cible n'occupe qu'un petit nombre de pixels natifs du détecteur, le zoom numérique ne peut pas créer de mesures de capteur physique supplémentaires. L'interpolation ou la super-résolution basée sur l'IA peuvent améliorer la présentation ou la reconstruction, mais les informations natives proviennent toujours du détecteur.

Un IFOV plus petit peut aider à placer davantage d'échantillons natifs sur une cible avant l'application du zoom numérique, en fonction de la configuration de l'objectif et du détecteur.

Cela peut rendre l'image agrandie plus utile.

Mais dire que 12 μm « ne se pixellise pas sous le zoom numérique » serait toujours inexact. Chaque détecteur à résolution finie atteint finalement un point où un grossissement numérique supplémentaire agrandit principalement les informations existantes.

Pour en savoir plus sur la distinction entre les données du détecteur et l'amélioration informatique, voir Traitement de l'IA dans les lunettes de visée thermiques.

Un détecteur de 12 μm consomme-t-il moins d’énergie ?

Le pas de pixel à lui seul ne détermine pas la consommation électrique totale de l'appareil.

Un dispositif thermique fini comprend :

• le détecteur,
• électronique de lecture,
• matériel de traitement,
• affichage,
• stockage,
• matériel de télémétrie le cas échéant,
• fonctions sans fil là où elles sont installées,
• et le système de gestion de l'énergie.

La réduction de la géométrie du détecteur peut contribuer à des conceptions électroniques plus compactes, mais cela ne justifie pas de supposer qu'un appareil de 12 μm aura une autonomie de batterie plus longue qu'un appareil de 17 μm.

L'autonomie de la batterie doit être évaluée à partir de mesures complètes au niveau du produit.

Le même principe s'applique au poids du produit : une géométrie de détecteur plus petite peut permettre des conceptions plus compactes, mais le poids final est déterminé par l'ensemble du système optique, mécanique et électronique.

Pourquoi la qualité des verres est toujours importante

Un détecteur ne peut pas récupérer les détails spatiaux que l’objectif ne parvient pas à fournir.

Des pixels plus petits permettent un échantillonnage plus fin du détecteur, mais le système optique doit avoir des performances de résolution suffisantes pour en tirer parti.

La distance focale, le nombre f, le matériau de la lentille, la transmission, les aberrations, la précision de la mise au point et la diffraction influencent tous le signal et les détails spatiaux atteignant le FPA.

De la même manière, le guidage optique de FLIR traite la distance focale, le champ de vision, l'IFOV et le nombre f comme des paramètres de conception interconnectés plutôt que comme des spécifications indépendantes.

C'est pourquoi comparer deux dispositifs thermiques uniquement par pas de pixel peut être trompeur.

Un système 17 μm bien équilibré peut surpasser un système 12 μm mal optimisé dans les domaines importants pour l’utilisateur.

De même, un système de 12 µm bien conçu peut combiner un échantillonnage spatial fin avec une optique compacte et une forte sensibilité thermique.

Le système compte plus que le seul numéro de pitch.

Comment comparer les systèmes thermiques 12 μm et 17 μm

Lors de l'évaluation de deux appareils thermiques, comparez les spécifications en tant que groupe.

1. Vérifiez la résolution native du détecteur.
   Ne confondez pas le pas de pixel avec le nombre total de pixels du détecteur.
2. Comparez le pas des pixels.
   Utilisez-le pour comprendre la géométrie du détecteur et les éventuelles différences d’échantillonnage spatial.
3. Vérifiez ensemble la distance focale et le champ de vision de l’objectif.
   Le pas de pixel sans informations sur l'objectif ne vous indique pas la géométrie de visualisation.
4. Regardez IFOV lorsqu'il est disponible.
   IFOV fournit une indication plus directe de l'échantillonnage angulaire par pixel du détecteur.
5. Comparez NETD séparément.
   Un pas de pixel plus petit ne garantit pas un NETD inférieur.
6. Vérifiez le nombre f optique.
   Cela affecte la quantité d'énergie infrarouge atteignant le détecteur et doit être pris en compte lors de la comparaison des spécifications de sensibilité.
7. Comparez le taux de rafraîchissement de manière indépendante.
   Le pas des pixels ne détermine pas la fluidité du mouvement.
8. Évaluez le traitement de l’image séparément.
   La netteté, le débruitage, le traitement du contraste et la super-résolution peuvent influencer l'apparence finale sans modifier la géométrie native du détecteur.
9. Comparez les performances réelles sur le terrain.
   Les spécifications décrivent les composants du système ; des comparaisons d'images contrôlées montrent comment ces composants fonctionnent ensemble.

Cette approche au niveau du système est également essentielle pour comprendre ce qui définit une lunette thermique haut de gamme.

Le 12 μm est-il la « nouvelle norme » ?

Il est plus précis de dire que 12 μm est devenu un pas de pixel largement utilisé dans les conceptions modernes de détecteurs thermiques non refroidis.

Les noyaux thermiques commerciaux des principaux fournisseurs de détecteurs utilisent désormais des pixels de 12 μm dans plusieurs résolutions et applications.

Mais « largement utilisé » ne signifie pas dire que chaque appareil de 12 μm est supérieur ou que les pas de pixels plus grands sont obsolètes.

Un détecteur doit être évalué par la combinaison complète de :

• résolution native,
• pas de pixel,
• NETD,
• la conception des lentilles,
• champ de vision,
• IFOV,
• taux de rafraîchissement,
• traitement d'images,
• et les exigences de la demande.

Le véritable avantage de la technologie 12μm n’est pas que le nombre lui-même garantit une meilleure image. Le fait que la géométrie plus petite du détecteur offre aux concepteurs des options supplémentaires pour obtenir un échantillonnage angulaire fin, une densité de pixels plus élevée et des systèmes optiques plus compacts.

La manière dont ces possibilités seront réalisées dépend toujours de la plate-forme d’imagerie thermique complète.

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