Le specifiche del rilevatore termico possono sembrare apparentemente semplici. Risoluzione, NETD, frequenza di aggiornamento e passo dei pixel sono spesso elencati fianco a fianco, il che rende facile supporre che un numero più piccolo significhi automaticamente un'immagine termica migliore.
Il passo dei pixel non funziona in questo modo.
Un passo pixel di 12μm è ampiamente utilizzato nei moderni progetti di rilevatori termici e può fornire importanti vantaggi nel campionamento spaziale, nelle dimensioni del rilevatore e nella progettazione del sistema ottico. Ma da solo non determina la qualità dell'immagine, la sensibilità termica o il raggio di rilevamento.
Per capire cosa cambia effettivamente 12μm, è utile separare la geometria del rilevatore dal resto del sistema di imaging termico.
Per un'introduzione più ampia alla risoluzione del rilevatore, alla sensibilità termica e alla formazione dell'immagine, iniziare con il nostro guida introduttiva all’imaging termico guida.
Cosa significa passo dei pixel in un rilevatore termico?
Il passo dei pixel è la distanza da centro a centro tra gli elementi del rilevatore vicini in una matrice sul piano focale o FPA.
Un rilevatore specificato come avente a Passo pixel 12μm posiziona i centri dei pixel adiacenti a 12 micrometri di distanza. Un rilevatore da 17μm utilizza una spaziatura di 17 micrometri.
Quel numero descrive la geometria fisica. Non indica quanti pixel contiene il rilevatore.
Ad esempio, queste sono specifiche separate:
- Risoluzione del rilevatore: 384 × 288, 640 × 512 o altro formato array
- Passo pixel: 12μm, 17μm o altro valore
Un rilevatore può quindi avere un passo di pixel piccolo senza avere un numero di pixel elevato e un rilevatore con passo maggiore può comunque avere una risoluzione totale maggiore.
Il passo dei pixel e la risoluzione del rilevatore non sono la stessa cosa
Consideriamo due ipotetici rilevatori larghi entrambi 640 pixel.
Con un passo di 12μm, la larghezza attiva rappresentata da quelle posizioni di 640 pixel è approssimativamente:
640 × 12μm = 7,68 mm
Con passo 17μm:
640 × 17μm = 10,88 mm
Questo esempio non dice che un rilevatore produce un'immagine migliore. Mostra che lo stesso numero di pixel può occupare un'area fisica più piccola quando il passo dei pixel viene ridotto.
Questa differenza ha conseguenze sulla progettazione della lente, sul campo visivo e sul campionamento angolare.
In che modo il passo dei pixel influisce sull'IFOV
Uno dei concetti più utili per comprendere il passo dei pixel è Campo visivo istantaneoo IFOV.
L'IFOV descrive la porzione angolare della scena rappresentata da un singolo pixel del rilevatore. Nella geometria ottica semplificata, l'IFOV dei pixel è approssimativamente correlato a:
passo dei pixel ÷ lunghezza focale
Ciò significa che il passo dei pixel non può essere valutato indipendentemente dall'obiettivo.
Per la stessa lunghezza focale, un passo dei pixel più piccolo produce un IFOV angolare più piccolo. Ciascun pixel copre quindi una porzione angolare più piccola della scena.
Un IFOV più fine può posizionare più punti di campionamento su un target distante e migliorare la quantità di informazioni spaziali disponibili per interpretare quel target. Ma il risultato dipende ancora dal sistema ottico e di rilevamento completo.
Stesso obiettivo, passo dei pixel diverso
Come esempio semplificato, immagina due rilevatori utilizzati dietro lo stesso obiettivo con lunghezza focale di 50 mm.
Ignorando altri effetti ottici:
- 12μm ÷ 50mm ≈ 0,24 mrad
- 17μm ÷ 50mm ≈ 0,34 mrad
La configurazione da 12μm ha quindi un campionamento angolare teorico più fine.
Tuttavia, se entrambi i rilevatori hanno lo stesso numero di pixel, la matrice da 12μm fisicamente più piccola produrrà normalmente un campo visivo più ristretto con la stessa lente.
Ciò può essere utile per l’osservazione a lunga distanza, ma in altre applicazioni potrebbe essere preferibile un campo visivo più ampio.
Non esiste una scelta universalmente corretta senza considerare la geometria di visualizzazione richiesta.
Perché i pixel più piccoli possono supportare progetti ottici più compatti
Un altro vantaggio del passo dei pixel più piccolo si presenta quando l'obiettivo è mantenere un campionamento angolare simile riducendo al contempo le dimensioni ottiche.
Poiché l'IFOV dipende sia dal passo dei pixel che dalla lunghezza focale, un passo dei pixel più piccolo può ottenere un campionamento angolare per pixel simile con una lunghezza focale più breve rispetto a un rilevatore con passo più grande.
Utilizzando solo il rapporto del passo:
12 ÷ 17 ≈ 0,71
In un confronto idealizzato, ciò significa che un rilevatore da 12μm potrebbe utilizzare circa il 71% della lunghezza focale di un rilevatore da 17μm mantenendo un campionamento angolare simile tra passo e lunghezza focale.
Ciò non significa che ogni dispositivo termico da 12μm sia più piccolo del 29%. Il design dell'alloggiamento, l'apertura, il diametro della lente, il meccanismo di messa a fuoco, il pacchetto del rilevatore, l'elettronica e altri componenti determinano ancora le dimensioni del prodotto finale.
Spiega perché i rilevatori a passo più piccolo offrono agli ingegneri ottici una maggiore flessibilità nel bilanciare l’ingrandimento, il campo visivo e le dimensioni della confezione.
Per uno sguardo più attento alla relazione tra lunghezza focale, campo visivo e dimensione apparente del target, consulta la nostra guida a ingrandimento dei cannocchiali termici.
12μm significano una risoluzione termica più elevata?
Non automaticamente.
La risoluzione termica nativa è determinata dal numero di pixel attivi del rilevatore.
Per esempio:
- 640 × 512 contiene più pixel del rilevatore di 384 × 288
- 384×288 a 12μm non diventa 640×512 semplicemente perché i suoi pixel sono più piccoli
- Il passo dei pixel e la risoluzione del rilevatore dovrebbero pertanto essere sempre elencati separatamente
Un passo più piccolo può consentire a più pixel di adattarsi a una determinata area fisica del rilevatore, motivo per cui la tecnologia dei rilevatori si è spostata verso geometrie di pixel più piccole.
Ma la risoluzione effettiva di un rilevatore finito dipende ancora dal formato dell'array selezionato dal produttore.
12μm significano automaticamente un NETD migliore?
No.
NETD, o differenza di temperatura equivalente al rumore, descrive la capacità di un sistema di imaging termico di distinguere piccole differenze di temperatura in condizioni di test specificate.
Il passo dei pixel è un fattore nell'architettura del rivelatore, ma il NETD dipende anche dal materiale del rivelatore, dalla struttura dei pixel, dal fattore di riempimento, dall'elettronica di lettura, dalle condizioni di integrazione, dal numero f ottico, dalla calibrazione e dall'elaborazione del segnale.
Esiste anche un compromesso ingegneristico associato alla riduzione delle dimensioni dei pixel.
Se si confronta direttamente la geometria dei pixel quadrati, un pixel da 12μm × 12μm ha un'area geometrica di 144 micrometri quadrati, mentre un pixel da 17μm × 17μm ha un'area di 289 micrometri quadrati.
Il pixel più piccolo quindi ha circa la metà dell'area geometrica.
Ciò non significa che debba avere una scarsa sensibilità termica. La moderna ingegneria dei rivelatori può compensare attraverso materiali, strutture, circuiti di lettura ed elaborazione delle immagini migliorati. Gli attuali rilevatori commerciali da 12μm possono raggiungere valori NETD molto bassi.
Ma significa questo 12μm di per sé non è una specifica di sensibilità termica.
Le specifiche dei rilevatori commerciali reali lo dimostrano chiaramente: esistono famiglie di rilevatori da 12μm e 17μm con diverse classificazioni NETD a seconda del design del rilevatore.
Quando si confrontano i dispositivi termici, il NETD dovrebbe quindi essere letto indipendentemente dal passo dei pixel.
passo dei pixel, campo visivo e ingrandimento base
Il passo dei pixel influenza anche il campo visivo quando le altre variabili vengono mantenute costanti.
Se due rilevatori hanno:
- la stessa risoluzione,
- la stessa lunghezza focale dell'obiettivo,
- ma passo dei pixel diversi,
il rilevatore a passo più piccolo ha una matrice fisicamente più piccola e quindi generalmente copre un campo visivo più ristretto.
Un campo visivo più ristretto fa sì che gli oggetti occupino una porzione più ampia dell'immagine visualizzata, il che può sembrare un maggiore ingrandimento ottico o di base.
Questo è il motivo per cui i rilevatori a passo più piccolo possono essere interessanti nei sistemi progettati per l’osservazione a lunga distanza.
Ma il compromesso conta.
Un campo visivo ristretto può rendere più difficile la scansione di aree estese, soprattutto a distanze più brevi. Un campo visivo più ampio può facilitare l’acquisizione del bersaglio e la consapevolezza della situazione.
Nessuna delle due caratteristiche è universalmente migliore.
La configurazione corretta dipende dalla distanza di osservazione prevista, dalle dimensioni del target e dalla copertura della scena richiesta.
Il passo dei pixel più piccolo aumenta il raggio di rilevamento?
Può contribuire a un migliore campionamento spaziale, ma non determina in modo indipendente l'intervallo di rilevamento, riconoscimento o identificazione.
Un IFOV più piccolo può posizionare più pixel su un bersaglio a una determinata distanza quando la configurazione ottica lo supporta. In generale, pixel più utili su un bersaglio possono migliorare le informazioni spaziali disponibili per il rilevamento e il riconoscimento.
Tuttavia, la portata nel mondo reale dipende anche da:
- risoluzione del rilevatore,
- lunghezza focale dell'obiettivo,
- campo visivo,
- trasmissione ottica,
- qualità della messa a fuoco,
- NETD e prestazioni segnale-rumore,
- dimensione dell'obiettivo,
- contrasto termico tra bersaglio e sfondo,
- condizioni atmosferiche,
- elaborazione delle immagini,
- visualizzazione e condizioni di visualizzazione.
Questo è il motivo per cui un'affermazione come "12μm possono identificare un target a una distanza specifica" è incompleta a meno che non siano definiti l'intera configurazione del test e i criteri del target.
Il passo dei pixel dovrebbe essere trattato come una componente delle prestazioni spaziali, non come una valutazione della portata a sé stante.
Cosa succede durante lo zoom digitale?
Lo zoom digitale non modifica il passo fisico dei pixel del rilevatore.
Ingrandisce i dati già acquisiti.
Se un target occupa solo un numero limitato di pixel del rilevatore nativo, lo zoom digitale non può creare misurazioni aggiuntive del sensore fisico. L'interpolazione o la super-risoluzione basata sull'intelligenza artificiale possono migliorare la presentazione o la ricostruzione, ma le informazioni native provengono comunque dal rilevatore.
Un IFOV più piccolo può aiutare a collocare più campioni nativi su un target prima dell'applicazione dello zoom digitale, a seconda della configurazione dell'obiettivo e del rilevatore.
Ciò può rendere l'immagine ingrandita più utile.
Ma dire che 12μm “non si pixella con lo zoom digitale” sarebbe comunque inesatto. Ogni rilevatore a risoluzione finita alla fine raggiunge un punto in cui un ulteriore ingrandimento digitale amplia principalmente le informazioni esistenti.
Per ulteriori informazioni sulla distinzione tra dati del rilevatore e miglioramento computazionale, vedere Elaborazione dell'intelligenza artificiale in cannocchiali termici.
Un rilevatore da 12μm consuma meno energia?
Il passo dei pixel da solo non determina il consumo energetico totale del dispositivo.
Un dispositivo termico finito include:
- il rilevatore,
- elettronica di lettura,
- hardware di elaborazione,
- visualizzazione,
- stoccaggio,
- hardware di telemetria, se installato,
- funzioni wireless, se presenti,
- e il sistema di gestione del potere.
La riduzione della geometria del rilevatore può contribuire a progetti elettronici più compatti, ma non giustifica l’ipotesi che un dispositivo da 12μm avrà una durata della batteria più lunga rispetto a un dispositivo da 17μm.
L'autonomia della batteria deve essere valutata mediante misurazioni complete a livello di prodotto.
Lo stesso principio si applica al peso del prodotto: una geometria più piccola del rilevatore può consentire progetti più compatti, ma il peso finale è determinato dal sistema ottico, meccanico ed elettronico completo.
Perché la qualità delle lenti è ancora importante
Un rilevatore non è in grado di recuperare i dettagli spaziali che l'obiettivo non riesce a fornire.
I pixel più piccoli forniscono un campionamento del rivelatore più preciso, ma il sistema ottico deve avere prestazioni di risoluzione sufficienti per trarne vantaggio.
La lunghezza focale, il numero f, il materiale delle lenti, la trasmissione, le aberrazioni, la precisione della messa a fuoco e la diffrazione influenzano tutti il segnale e i dettagli spaziali che raggiungono l'FPA.
Allo stesso modo, la guida ottica FLIR tratta la lunghezza focale, il FOV, l'IFOV e il numero f come parametri di progettazione interconnessi anziché come specifiche indipendenti.
Questo è il motivo per cui confrontare due dispositivi termici solo in base al passo dei pixel può essere fuorviante.
Un sistema da 17μm ben bilanciato può sovraperformare un sistema da 12μm scarsamente ottimizzato nelle aree che contano per l'utente.
Allo stesso modo, un sistema da 12μm ben progettato può combinare un campionamento spaziale fine con un’ottica compatta e una forte sensibilità termica.
Il sistema conta più del solo numero di campo.
Come confrontare i sistemi termici da 12μm e 17μm
Quando si valutano due dispositivi termici, confrontare le specifiche come gruppo.
- Controllare la risoluzione nativa del rilevatore.
Non confondere il passo dei pixel con il numero totale di pixel del rilevatore. - Confronta il passo dei pixel.
Usalo per comprendere la geometria del rilevatore e le possibili differenze di campionamento spaziale. - Controllare insieme la lunghezza focale dell'obiettivo e il campo visivo.
Il passo dei pixel senza informazioni sull'obiettivo non indica la geometria di visualizzazione. - Guarda IFOV quando disponibile.
L'IFOV fornisce un'indicazione più diretta del campionamento angolare per pixel del rilevatore. - Confronta NETD separatamente.
Un passo dei pixel più piccolo non garantisce un NETD inferiore. - Controllare il numero f ottico.
Influisce sulla quantità di energia infrarossa che raggiunge il rilevatore e dovrebbe essere preso in considerazione quando si confrontano le specifiche di sensibilità. - Confronta la frequenza di aggiornamento in modo indipendente.
Il passo dei pixel non determina la fluidità del movimento. - Valutare separatamente l'elaborazione delle immagini.
La nitidezza, la riduzione del rumore, l'elaborazione del contrasto e la super risoluzione possono influenzare l'aspetto finale senza modificare la geometria nativa del rilevatore. - Confronta le prestazioni reali sul campo.
Le specifiche descrivono i componenti del sistema; i confronti controllati delle immagini mostrano come questi componenti lavorano insieme.
Anche questo approccio a livello di sistema è fondamentale per la comprensione ciò che definisce un cannocchiale termico di fascia alta.
12μm è il “nuovo standard”?
È più accurato affermare che 12μm è diventato un passo dei pixel ampiamente utilizzato nei moderni progetti di rilevatori termici non raffreddati.
I nuclei termici commerciali dei principali fornitori di rilevatori ora utilizzano pixel da 12μm per molteplici risoluzioni e applicazioni.
Ma “ampiamente utilizzato” è diverso dal dire che ogni dispositivo da 12μm è superiore o che i passo dei pixel più grandi sono obsoleti.
Un rilevatore dovrebbe essere valutato dalla combinazione completa di:
- risoluzione nativa,
- passo dei pixel,
- NETD,
- progettazione delle lenti,
- campo visivo,
- IFOV,
- frequenza di aggiornamento,
- elaborazione delle immagini,
- e i requisiti della domanda.
Il vero vantaggio della tecnologia 12μm non è che il numero stesso garantisca un'immagine migliore. Il fatto è che la geometria più piccola del rivelatore offre ai progettisti opzioni aggiuntive per ottenere un campionamento angolare preciso, una densità di pixel più elevata e sistemi ottici più compatti.
Il modo in cui queste possibilità verranno realizzate dipende ancora dalla piattaforma di imaging termico completa.
FAQ
Il passo dei pixel di 12μm significa una risoluzione più elevata?
No. Il passo dei pixel descrive la spaziatura tra gli elementi del rilevatore. La risoluzione descrive il numero di pixel nell'array di rilevatori. Un rilevatore da 12μm può avere una risoluzione inferiore o superiore a seconda del formato dell'array.
12μm fornisce automaticamente una migliore portata di rilevamento?
No. Un passo dei pixel più piccolo può contribuire a un campionamento angolare più preciso se combinato con un obiettivo appropriato, ma il raggio di rilevamento pratico dipende anche dalla risoluzione, dalla lunghezza focale, dalla sensibilità, dalle dimensioni del target, dal contrasto, dall'atmosfera e dall'elaborazione dell'immagine.
12μm significa NETD inferiore?
No. NETD e passo dei pixel sono specifiche separate. I moderni rilevatori da 12μm possono raggiungere un'elevata sensibilità termica, ma il risultato dipende dall'architettura del rilevatore, dall'ottica, dall'elettronica e dall'elaborazione.
12μm rendono sempre più piccolo un dispositivo termico?
No. La geometria più piccola del rilevatore può consentire un design ottico più compatto, ma la dimensione finale del dispositivo è determinata anche dalla lente, dall'alloggiamento, dall'elettronica, dalla batteria e dall'architettura meccanica.
Il passo dei pixel da 17μm è obsoleto?
No. Passi più piccoli sono diventati comuni nei nuovi progetti di rilevatori termici, ma 17μm rimane un'architettura di rilevatore valida. Le prestazioni dovrebbero essere giudicate dal sistema di imaging completo piuttosto che dal solo passo dei pixel.
