Un FPA per imaging termico è la matrice sul piano focale che converte l'energia infrarossa in entrata in dati del rilevatore utilizzati per creare un'immagine termica. La risoluzione del rilevatore indica quanti elementi di rilevamento sono disponibili. Il passo dei pixel descrive la loro spaziatura fisica. NETD si riferisce alla sensibilità termica. La frequenza di aggiornamento descrive la frequenza con cui vengono prodotti nuovi fotogrammi di immagine.
Al centro di quella catena c'è il Matrice del piano focaleo FPA.
In molti moderni sistemi di imaging termico non raffreddati, l'FPA è una serie di elementi rilevatori microbolometrici posizionati sul piano focale del sistema ottico a infrarossi. Comprendere cosa succede in questa fase rende molto più semplice interpretare le specifiche che appariranno successivamente nella scheda tecnica di un prodotto termico.
Per un'introduzione più ampia alla formazione dell'immagine termica e alle specifiche di base, consultare la nostra guida introduttiva all’imaging termico guida.
Cos'è un Focal Plane Array?
Un Focal Plane Array è un array di rilevatori bidimensionali posizionato nel punto in cui il sistema ottico a infrarossi forma un'immagine.
Invece di scansionare la scena con un elemento rilevatore, un FPA contiene molti elementi rilevatori disposti in righe e colonne. Ogni elemento campiona l'energia infrarossa da una piccola parte della scena.
In un microbolometro FPA non raffreddato, la radiazione infrarossa in entrata viene assorbita da strutture di rilevamento molto piccole isolate termicamente. L'energia assorbita provoca un piccolo cambiamento di temperatura, che modifica una proprietà elettrica del materiale sensibile. I circuiti di lettura convertono quindi tali cambiamenti in segnali elettrici che possono essere elaborati in un'immagine termica. Il NIST descrive il processo di base del microbolometro come l'assorbimento di infrarossi che riscalda un microponte, seguito da una variazione di resistenza dipendente dalla temperatura che viene convertita in un segnale elettrico.
Come funziona un pixel microbolometrico
Un tipico microbolometro non è semplicemente il pixel di una fotocamera a luce visibile in miniatura.
La sua struttura di rilevamento è progettata per assorbire la radiazione infrarossa pur rimanendo isolata termicamente dall'elettronica di lettura sottostante. I moderni dispositivi non raffreddati utilizzano comunemente una membrana sospesa collegata al circuito di lettura tramite strette strutture di supporto.
Il processo semplificato è:
- La radiazione infrarossa raggiunge il rilevatore.
- Il microbolometro assorbe parte di quell'energia.
- La sua temperatura cambia leggermente.
- Il materiale sensibile alla temperatura modifica la resistenza elettrica.
- L'elettronica di lettura misura il segnale elettrico risultante.
- La calibrazione e l'elaborazione delle immagini convertono i dati del rilevatore nell'immagine mostrata all'utente.
LYNRED descrive in modo simile i microbolometri LWIR non raffreddati come strutture sospese contenenti materiale termoresistivo, con circuiti di lettura sotto la matrice di rilevatori.
La FPA fornisce quindi le misurazioni termiche che costituiscono la base dell'immagine. Di per sé non determina l'aspetto della visualizzazione finale.
Risoluzione FPA: quanti elementi del rivelatore ci sono?
La risoluzione del rilevatore termico viene normalmente scritta come numero di pixel orizzontali e verticali.
Per esempio:
- 384 × 288 = 110.592 elementi del rilevatore
- 640 × 512 = 327.680 elementi del rilevatore
Un rilevatore 640 × 512 contiene quindi quasi il triplo degli elementi sensibili di un rilevatore 384 × 288.
Se due sistemi utilizzano ottiche comparabili e coprono lo stesso campo visivo, il rilevatore a risoluzione più elevata può campionare la scena in più posizioni spaziali.
Ciò può fornire maggiori informazioni sulle piccole strutture e sui confini degli obiettivi.
Ma la risoluzione da sola non determina la qualità dell'immagine finale o la portata pratica. La qualità dell'obiettivo, il campo visivo, il pixel pitch, la sensibilità termica, la messa a fuoco, le condizioni atmosferiche e l'elaborazione delle immagini sono ancora importanti.
La risoluzione del rilevatore non è la risoluzione del display
Questa distinzione è importante.
Un dispositivo può avere:
- una risoluzione nativa del rilevatore,
- un'altra risoluzione di elaborazione,
- e una diversa risoluzione dello schermo.
Ad esempio, la visualizzazione di un'immagine del rilevatore 384 × 288 su un OLED a risoluzione più elevata non trasforma il rilevatore termico in un FPA a risoluzione più elevata.
Il display può presentare l'immagine in modo più fluido o fornire ulteriori dettagli dell'interfaccia, ma la misurazione termica originale proviene comunque dall'array di rilevatori nativi.
Allo stesso modo, l'interpolazione o la super-risoluzione non modifica il conteggio dei pixel del rilevatore fisico.
Pixel Pitch e risoluzione FPA lavorano insieme
La risoluzione indica quanti elementi del rilevatore esistono.
Il passo dei pixel ti dice quanto sono distanti fisicamente questi elementi.
Queste due specifiche dovrebbero sempre essere lette separatamente.
Un rilevatore 640 × 512 con passo di 12μm e un rilevatore 640 × 512 con passo di 17μm contengono lo stesso numero di elementi del rilevatore, ma le dimensioni fisiche della matrice sono diverse.
Il passo dei pixel interagisce anche con la lunghezza focale dell'obiettivo per determinare il campionamento angolare o IFOV.
Ecco perché confrontare solo la risoluzione del rivelatore può far perdere una parte importante della geometria dell’immagine.
Per la relazione completa tra 12μm, 17μm, dimensioni del rilevatore e IFOV, consultare la nostra guida pixel pitch di 12 μm nell’imaging termico.
Cosa significa la frequenza di aggiornamento nell'imaging termico?
La frequenza di aggiornamento, la frequenza dei fotogrammi o la frequenza dell'immagine descrivono la frequenza con cui il sistema di imaging termico produce un nuovo fotogramma dell'immagine.
Un sistema che opera a:
- 30 Hz produce circa 30 nuovi fotogrammi al secondo
- 50 Hz produce circa 50 nuovi fotogrammi al secondo
- 60 Hz produce circa 60 nuovi fotogrammi al secondo
Espresso come tempo tra i fotogrammi, vale approssimativamente:
- 30Hz→ 33,3 ms per fotogramma
- 50Hz→ 20 ms per fotogramma
- 60Hz→ 16,7 ms per fotogramma
Un frame rate più elevato fornisce campioni più temporali di una scena in movimento.
Ciò generalmente fa sì che il movimento appaia più continuo e può facilitare la panoramica o il tracciamento degli oggetti in movimento.
Lo fa non aggiungere risoluzione spaziale.
Un rilevatore 384 × 288 funzionante a 60 Hz ha ancora elementi rilevatori nativi 384 × 288.
Allo stesso modo, un rilevatore 640 × 512 funzionante a 30 Hz contiene ancora più campioni spaziali di un rilevatore 384 × 288 funzionante a 60 Hz.
La risoluzione e il frame rate descrivono dimensioni diverse delle prestazioni.
La frequenza di aggiornamento non è la stessa del tempo di risposta del microbolometro
Un'altra distinzione importante è la differenza tra frequenza dei fotogrammi e tempo di risposta del rilevatore.
Un microbolometro non risponde istantaneamente a un cambiamento nella radiazione infrarossa in arrivo. La sua struttura termica ha bisogno di tempo per riscaldarsi o raffreddarsi verso la nuova condizione.
Questo comportamento è spesso descritto da una costante di tempo termica.
FLIR rileva che la costante di tempo termica in alcune delle sue termocamere microbolometriche è di circa 7–12 ms e avverte specificamente che questa non deve essere confusa con il tempo di integrazione del rilevatore.
Questo numero non è un valore universale per ogni rilevatore termico, ma illustra il principio:
la frequenza con cui i frame vengono letti e la velocità con cui ciascun elemento del rilevatore risponde sono caratteristiche del sistema correlate, ma non sono la stessa specifica.
Perché la differenza è importante
Immagina un sistema termico che produca 60 fotogrammi al secondo.
L'intervallo del frame è di circa 16,7 ms.
Ciò non significa automaticamente che il rilevatore possa risolvere perfettamente ogni evento termico che si verifica in quell'intervallo.
Se la risposta termica del rilevatore è lenta rispetto al movimento della scena o al cambiamento di temperatura, l'immagine risultante può comunque mostrare sfocatura temporale o contrasto ridotto su oggetti in rapido cambiamento.
Un frame rate elevato pertanto non può essere valutato in modo completamente indipendente dalle caratteristiche di risposta del rilevatore.
Anche la frequenza dei fotogrammi del sensore e la frequenza di aggiornamento del display sono diverse
Una terza specifica può creare confusione: frequenza di aggiornamento del display.
Il rilevatore termico può produrre immagini a una frequenza mentre il display OLED o LCD si aggiorna a un'altra.
Ad esempio, un display in grado di aggiornarsi a 60 Hz non significa automaticamente che il rilevatore termico produce 60 fotogrammi termici unici ogni secondo.
Se la pipeline del rilevatore fornisce solo 30 fotogrammi termici al secondo, una visualizzazione più veloce può mostrare tali fotogrammi in modo fluido, ma non può creare misurazioni termiche fisiche aggiuntive.
Quando si confrontano i prodotti, distinguere tra:
- frequenza dell'immagine del rilevatore/sensore,
- frequenza di uscita dell'elaborazione delle immagini,
- frequenza di aggiornamento del display.
Quando possibile, la specifica che conta per il movimento della scena è la velocità con cui sono disponibili dati dell'immagine termica realmente nuovi.
La risoluzione e la frequenza di aggiornamento risolvono diversi problemi
È utile pensare alla risoluzione e alla frequenza di aggiornamento lungo due assi diversi.
| Specifiche | Descrive principalmente | Non te lo dice direttamente |
|---|---|---|
| Risoluzione del rilevatore | Campionamento spaziale | Frequenza di aggiornamento del movimento |
| Passo dei pixel | Geometria del rivelatore/campionamento angolare con la lente | Sensibilità termica di per sé |
| NETD | Sensibilità a piccole differenze di temperatura in condizioni definite | Risoluzione del rilevatore |
| Frequenza immagine/frame rate | Campionamento temporale | Dettaglio spaziale |
| Costante di tempo termica | Dinamica di risposta del rivelatore | Numero di pixel del rilevatore |
| Risoluzione dello schermo | Come viene presentata l'immagine elaborata | Risoluzione FPA nativa |
Questo è il motivo per cui una specifica non dovrebbe essere utilizzata in sostituzione di un'altra.
Un rilevatore ad alta risoluzione non ha automaticamente una frequenza di aggiornamento più elevata.
Una frequenza di aggiornamento più elevata non produce automaticamente maggiori dettagli spaziali.
Inoltre, un pixel pitch più piccolo non garantisce automaticamente un NETD inferiore.
Che ruolo gioca NETD?
NETD, o differenza di temperatura equivalente al rumore, è un'altra specifica relativa al rilevatore che viene spesso combinata con la risoluzione.
NETD descrive la capacità di un sistema di imaging termico di distinguere piccole differenze nel segnale termico in condizioni di test definite.
Un NETD inferiore indica generalmente una maggiore sensibilità termica in tali condizioni.
Ma il NETD non è un’altra forma di risoluzione.
Due rilevatori possono avere la stessa risoluzione e valori NETD diversi.
Due rilevatori possono anche avere specifiche NETD simili ma risoluzioni, passi dei pixel o configurazioni ottiche diverse.
Un modo utile di pensare alla distinzione è:
- Risoluzione: quanti campioni spaziali sono disponibili
- NETD: quanto piccola è la differenza termica che il sistema può distinguere in condizioni definite
- Frequenza fotogrammi: quanto spesso la scena viene campionata nel tempo
Tutti e tre possono influenzare l'esperienza di utilizzo di un dispositivo di imaging termico, ma misurano cose diverse.
Il NETD non deve inoltre essere interpretato come una prova che un dispositivo possa “vedere attraverso” nebbia, pioggia, vegetazione o altri ostacoli fisici. La trasmissione atmosferica e il contrasto tra bersaglio e sfondo influenzano ancora il segnale infrarosso che raggiunge il rilevatore.
Dai dati FPA grezzi all'immagine visualizzata
L'output del rilevatore è solo l'inizio del processo di imaging.
I dati FPA grezzi normalmente richiedono un'elaborazione prima di diventare l'immagine termica mostrata sul display.
A seconda del dispositivo, la catena di elaborazione può includere:
- calibrazione del rilevatore,
- correzione della non uniformità,
- correzione dei pixel errati,
- controllo automatico del guadagno,
- riduzione del rumore,
- elaborazione del contrasto,
- affilatura,
- ridimensionamento dell'immagine,
- mappatura della tavolozza,
- zoom digitale,
- e, in alcuni sistemi, elaborazione assistita da reti neurali o intelligenza artificiale.
Questo è il motivo per cui due dispositivi che utilizzano sensori con specifiche principali simili possono comunque produrre output visibilmente diversi.
Il rilevatore definisce le misurazioni disponibili. L'ottica determina il modo in cui l'energia infrarossa raggiunge quel rilevatore. L'elaborazione determina il modo in cui tali misurazioni vengono corrette e presentate.
Per ulteriori informazioni sul lato computazionale di questa pipeline, vedere Elaborazione dell'intelligenza artificiale in cannocchiali termici.
Una risoluzione più elevata significa sempre un'immagine termica migliore?
No.
Una risoluzione del rivelatore più elevata è preziosa perché fornisce più campioni spaziali, ma la qualità dell'immagine è un risultato del sistema.
Considera un rilevatore ad alta risoluzione abbinato a:
- una lente poco focalizzata,
- risoluzione ottica insufficiente,
- rumore elevato del rilevatore,
- elaborazione delle immagini inappropriata,
- o un campo visivo inadeguato.
I pixel aggiuntivi non risolvono automaticamente questi problemi.
Al contrario, un sistema a risoluzione inferiore con una buona ottica, un campo visivo appropriato, una forte sensibilità termica e un'elaborazione ben calibrata può funzionare in modo molto efficace per l'applicazione prevista.
Questo è il motivo per cui la risoluzione del rilevatore dovrebbe essere trattata come una specifica importante, non come una classifica completa del prodotto.
Una frequenza di aggiornamento più elevata significa sempre prestazioni migliori?
No.
Una frequenza fotogrammi più elevata è particolarmente utile quando la scena o il dispositivo è in movimento.
Per l'osservazione prevalentemente stazionaria, la differenza tra due frame rate può essere meno importante della risoluzione del rilevatore, del campo visivo, del NETD o del design ottico.
Frame rate più elevati richiedono inoltre che il rilevatore, l'elettronica di lettura e la pipeline di elaborazione delle immagini gestiscano più informazioni al secondo.
Il frame rate corretto dipende quindi dall'uso previsto piuttosto che da una soglia universale.
Dichiarazioni come:
“Qualsiasi cosa al di sotto dei 50 Hz è inadeguata”
sono troppo assoluti.
I sistemi di imaging termico commerciali esistono con molti frame rate diversi per diverse applicazioni. FLIR, ad esempio, vende sistemi microbolometrici che vanno da frequenze di immagine a una cifra fino a 30 Hz e oltre, dimostrando che il frame rate è una scelta di progettazione dipendente dall'applicazione piuttosto che una singola soglia di qualità.
Come confrontare correttamente le specifiche FPA
Quando si valuta la sezione del rilevatore di una scheda delle specifiche di un'immagine termica, utilizzare il seguente ordine.
- Identificare il tipo di rilevatore.
Confermare se il dispositivo utilizza un microbolometro non raffreddato o un'altra architettura di rilevamento. - Controllare la risoluzione nativa del rilevatore.
Utilizza le dimensioni FPA effettive anziché la risoluzione del display o la risoluzione di output migliorata. - Controlla il passo dei pixel.
Combina il passo con la lunghezza focale e il campo visivo quando valuti il campionamento angolare. - Confronta il campo visivo.
La stessa risoluzione del rilevatore può comportarsi in modo molto diverso dietro obiettivi diversi. - Controllare la frequenza dell'immagine o la frequenza dei fotogrammi del sensore.
Non sostituire la frequenza di aggiornamento del display con la frequenza dell'immagine del sensore. - Controlla NETD separatamente.
La sensibilità e la risoluzione spaziale descrivono caratteristiche diverse. - Controlla il tempo di risposta se il produttore lo pubblica.
Non dare per scontato che solo il frame rate definisca la risposta del rilevatore ai rapidi cambiamenti termici. - Guarda il sistema ottico.
La lunghezza focale, il numero f, la trasmissione e la messa a fuoco influiscono sul segnale infrarosso che raggiunge l'FPA. - Considera l'elaborazione delle immagini.
Denoising, nitidezza, calibrazione e super risoluzione possono modificare il risultato visualizzato. - Confronta immagini reali in condizioni controllate.
Le specifiche sono particolarmente utili quando la scena, la distanza, le impostazioni dell'obiettivo, le condizioni atmosferiche e di visualizzazione sono comparabili.
Questo stesso approccio a livello di sistema è importante durante la valutazione ciò che definisce un cannocchiale termico di fascia alta.
Le specifiche FPA dovrebbero essere lette come un sistema
L'FPA è fondamentale per la termografia, ma non è un punteggio di qualità isolato.
La risoluzione determina il numero di campioni del rilevatore nativo.
Il passo dei pixel influenza la geometria del rivelatore e, insieme alla lunghezza focale, il campionamento angolare.
Il NETD descrive la sensibilità termica nelle condizioni specificate.
Il frame rate descrive il campionamento temporale.
Il tempo di risposta del rilevatore influisce sulla rapidità con cui gli elementi di rilevamento reagiscono alle variazioni dell'energia infrarossa.
L'obiettivo determina quali informazioni a infrarossi raggiungono il rilevatore, mentre la pipeline di elaborazione determina come tali informazioni vengono corrette e visualizzate.
Una scheda termica utile pertanto non dovrebbe essere ridotta a un singolo numero di titolo.
Il confronto più significativo deriva dalla comprensione di come queste specifiche interagiscono.
FAQ
Cosa significa FPA nella termografia?
FPA sta per Focal Plane Array (matrice sul piano focale). È la matrice bidimensionale di elementi rivelatori a infrarossi situata sul piano focale del sistema ottico termico.
Un microbolometro è la stessa cosa di un FPA?
Non esattamente. Un microbolometro è un singolo elemento rivelatore termico o una tecnologia di rivelazione. Un FPA a microbolometri non raffreddati contiene molti elementi microbolometrici disposti come una matrice di imaging.
640 × 512 è sempre meglio di 384 × 288?
No. Un rilevatore 640 × 512 contiene più elementi nativi del rilevatore e può fornire un campionamento spaziale più fine a condizioni ottiche comparabili, ma le prestazioni complete dell'immagine dipendono anche dal passo dei pixel, dal design della lente, dal campo visivo, dal NETD, dall'elaborazione e da altri fattori.
60 Hz è sempre meglio di 30 Hz?
No. Un frame rate più elevato fornisce più campioni temporali e solitamente migliora la continuità del movimento, ma se ciò sia importante dipende dall'applicazione. Il frame rate non aumenta la risoluzione nativa del rilevatore né migliora automaticamente la sensibilità termica.
La frequenza di aggiornamento del display è uguale alla frequenza dei fotogrammi del sensore termico?
No. Il display potrebbe aggiornarsi a una frequenza diversa da quella del rilevatore. Una visualizzazione più veloce non può creare misurazioni termiche aggiuntive se il rilevatore e la pipeline di elaborazione producono meno frame termici unici.
Un NETD inferiore significa una risoluzione più elevata?
No. Il NETD descrive la sensibilità termica, mentre la risoluzione descrive il numero di elementi del rilevatore. Dovrebbero essere valutati in modo indipendente.
