Шаг пикселя 12 мкм в тепловидении: что он меняет, а что нет

Технические характеристики теплового детектора могут показаться обманчиво простыми. Разрешение, NETD, частота обновления и шаг пикселя часто указываются рядом, что позволяет легко предположить, что меньшее число автоматически означает лучшее тепловое изображение.

Шаг пикселя таким образом не работает.

Шаг пикселя 12 мкм широко используется в конструкциях современных тепловых детекторов и может обеспечить важные преимущества в пространственной дискретизации, размере детектора и конструкции оптической системы. Но он сам по себе не определяет качество изображения, тепловую чувствительность или дальность обнаружения.

Чтобы понять, что на самом деле меняет 12 мкм, нужно отделить геометрию детектора от остальной части тепловизионной системы.

Для более широкого ознакомления с разрешением детектора, тепловой чувствительностью и формированием изображения начните с нашего гид по тепловизионной технике для начинающих руководства.

Что означает шаг пикселя в тепловизоре?

Шаг пикселя — это межцентровое расстояние между соседними детекторными элементами в матрице фокальной плоскости или FPA.

Детектор, указанный как имеющий Шаг пикселя 12 мкм помещает центры соседних пикселей на расстоянии 12 микрометров друг от друга. Детектор 17 мкм использует расстояние 17 микрометров.

Это число описывает физическую геометрию. Он не сообщает вам, сколько пикселей содержит детектор.

Например, это отдельные спецификации:

• Разрешение детектора: 384×288, 640×512 или другой формат массива.
• Шаг пикселя: 12 мкм, 17 мкм или другое значение.

Таким образом, детектор может иметь небольшой шаг пикселя без большого количества пикселей, а детектор с большим шагом все же может иметь более высокое общее разрешение.

Шаг пикселя и разрешение детектора — не одно и то же

Рассмотрим два гипотетических детектора шириной 640 пикселей.

При шаге 12 мкм активная ширина, представленная этими 640 позициями пикселей, составляет примерно:

640 × 12 мкм = 7,68 мм

С шагом 17 мкм:

640 × 17 мкм = 10,88 мм

В этом примере не говорится, что один детектор дает лучшее изображение. Это показывает, что то же количество пикселей может занимать меньшую физическую площадь при уменьшении шага пикселя.

Эта разница влияет на конструкцию объектива, поле зрения и угол выборки.

Как шаг пикселя влияет на IFOV

Одна из наиболее полезных концепций для понимания шага пикселя — это Мгновенное поле зрения, или IFOV.

IFOV описывает угловую часть сцены, представленную отдельным пикселем детектора. В упрощенной оптической геометрии IFOV пикселя примерно связано с:

шаг пикселя ÷ фокусное расстояние

Это означает, что шаг пикселя нельзя оценить независимо от объектива.

При том же фокусном расстоянии меньший шаг пикселя приводит к меньшему угловому IFOV. Затем каждый пиксель покрывает меньшую угловую часть сцены.

Более точный IFOV может разместить больше точек отбора проб на удаленной цели и улучшить объем пространственной информации, доступной для интерпретации этой цели. Но результат все равно зависит от всей оптической и детекторной системы.

Тот же объектив, разный шаг пикселя

В качестве упрощенного примера представьте себе два детектора, установленных за одной и той же линзой с фокусным расстоянием 50 мм.

Игнорирование других оптических эффектов:

• 12 мкм ÷ 50 мм ≈ 0,24 мрад
• 17 мкм ÷ 50 мм ≈ 0,34 мрад

Таким образом, конфигурация 12 мкм имеет более точную теоретическую угловую выборку.

Однако, если оба детектора имеют одинаковое количество пикселей, физически меньшая матрица размером 12 мкм обычно создает более узкое поле зрения с той же линзой.

Это может быть полезно для наблюдения на больших расстояниях, но более широкое поле зрения может быть предпочтительнее в других приложениях.

Не существует универсально правильного выбора без учета необходимой геометрии обзора.

Почему пиксели меньшего размера могут поддерживать более компактные оптические конструкции

Еще одно преимущество меньшего шага пикселя появляется, когда целью является сохранение одинаковой угловой выборки при уменьшении оптического размера.

Поскольку IFOV зависит как от шага пикселя, так и от фокусного расстояния, меньший шаг пикселя может обеспечить аналогичную попиксельную угловую выборку с более коротким фокусным расстоянием, чем детектор с большим шагом.

Используя только соотношение шага:

12 ÷ 17 ≈ 0,71

В идеализированном сравнении это означает, что детектор 12 мкм может использовать примерно 71% фокусного расстояния детектора 17 мкм, сохраняя при этом аналогичную угловую выборку между шагом и фокусным расстоянием.

Это не означает, что каждое тепловое устройство толщиной 12 мкм на 29% меньше. Конструкция корпуса, диафрагма, диаметр линзы, механизм фокусировки, корпус детектора, электроника и другие компоненты по-прежнему определяют размеры конечного продукта.

Это объясняет, почему детекторы с меньшим шагом дают инженерам-оптикам большую гибкость при выборе баланса между увеличением, полем зрения и размером корпуса.

Чтобы более подробно рассмотреть взаимосвязь между фокусным расстоянием, полем зрения и видимым размером цели, см. наше руководство по увеличению тепловизионных прицелов.

Означает ли 12 мкм более высокое термическое разрешение?

Не автоматически.

Собственное тепловое разрешение определяется количеством активных пикселей детектора.

Например:

• Размер 640 × 512 содержит больше пикселей детектора, чем 384 × 288.
• 384×288 при 12 мкм не становится 640×512 просто потому, что его пиксели меньше
• Поэтому шаг пикселя и разрешение детектора всегда следует указывать отдельно.

Меньший шаг может позволить большему количеству пикселей поместиться в заданную физическую область детектора, что является одной из причин, по которой технология детекторов перешла в сторону пикселей меньшей геометрии.

Но фактическое разрешение готового детектора все равно зависит от формата матрицы, выбранного производителем.

Означает ли 12 мкм лучший показатель NETD?

Нет.

NETD, или эквивалентная шуму разница температур, описывает способность тепловизионной системы различать небольшие разницы температур в определенных условиях испытаний.

Шаг пикселя является одним из факторов архитектуры детектора, но NETD также зависит от материала детектора, структуры пикселя, коэффициента заполнения, считывающей электроники, условий интеграции, оптического числа f, калибровки и обработки сигнала.

Существует также инженерный компромисс, связанный с уменьшением размера пикселя.

Если сравнивать геометрию квадратных пикселей напрямую, то пиксель размером 12×12 мкм имеет геометрическую площадь 144 квадратных микрометра, а пиксель размером 17×17 мкм имеет площадь 289 квадратных микрометров.

Таким образом, меньший пиксель имеет примерно половину геометрической площади.

Это не означает, что он должен иметь плохую термическую чувствительность. Современная детекторная техника может компенсировать это за счет улучшения материалов, конструкций, схем считывания и обработки изображений. Современные коммерческие детекторы 12 мкм могут достигать очень низких значений NETD.

Но это значит, что Сама по себе толщина 12 мкм не является характеристикой термочувствительности..

Технические характеристики реальных коммерческих детекторов наглядно это демонстрируют: существуют семейства детекторов 12 мкм и 17 мкм с разными рейтингами NETD в зависимости от конструкции детектора.

Поэтому при сравнении тепловых устройств значение NETD следует считывать независимо от шага пикселя.

Шаг пикселя, поле зрения и базовое увеличение

Шаг пикселя также влияет на поле зрения, когда другие переменные остаются постоянными.

Если два детектора имеют:

• то же разрешение,
• одинаковое фокусное расстояние объектива,
• но разный шаг пикселей,

Детектор с меньшим шагом имеет физически меньшую решетку и, следовательно, обычно охватывает более узкое поле зрения.

Более узкое поле зрения заставляет объекты занимать большую часть отображаемого изображения, что может ощущаться как большее оптическое или базовое увеличение.

Вот почему детекторы с меньшим шагом могут быть привлекательны в системах, предназначенных для наблюдения на больших расстояниях.

Но компромисс имеет значение.

Узкое поле зрения может затруднить сканирование больших площадей, особенно на коротких дистанциях. Более широкое поле зрения может облегчить обнаружение цели и понимание ситуации.

Ни одна из характеристик не является универсально лучшей.

Правильная конфигурация зависит от предполагаемого расстояния наблюдения, размера цели и требуемого охвата сцены.

Увеличивает ли меньший шаг пикселя дальность обнаружения?

Это может способствовать улучшению пространственной выборки, но не позволяет независимо определять дальность обнаружения, распознавания или идентификации.

Меньшее IFOV может передать больше пикселей на цель на заданном расстоянии, если оптическая конфигурация поддерживает это. В целом, более полезные пиксели на цели могут улучшить пространственную информацию, доступную для обнаружения и распознавания.

Однако реальный диапазон также зависит от:

• разрешение детектора,
• фокусное расстояние объектива,
• поле зрения,
• оптическая передача,
• качество фокусировки,
• NETD и соотношение сигнал/шум,
• целевой размер,
• тепловой контраст цели и фона,
• атмосферные условия,
• обработка изображений,
• Условия показа и просмотра.

Вот почему утверждение типа «12 мкм может идентифицировать цель на определенном расстоянии» является неполным, если не определены вся конфигурация теста и целевые критерии.

Шаг пикселя следует рассматривать как один из компонентов пространственных характеристик, а не как отдельный показатель дальности действия.

Что происходит во время цифрового увеличения?

Цифровой зум не меняет физический шаг пикселя детектора.

Он увеличивает данные, которые уже были захвачены.

Если цель занимает лишь небольшое количество собственных пикселей детектора, цифровой зум не может создать дополнительные измерения физического датчика. Интерполяция или сверхразрешение на основе искусственного интеллекта могут улучшить представление или реконструкцию, но исходная информация по-прежнему поступает от детектора.

Меньшее IFOV может помочь разместить больше естественных образцов на цели до применения цифрового увеличения, в зависимости от конфигурации объектива и детектора.

Это может сделать увеличенное изображение более полезным.

Но сказать, что 12 мкм «не пикселизируется при цифровом увеличении», все равно было бы неточно. Каждый детектор с конечным разрешением в конечном итоге достигает точки, когда дополнительное цифровое увеличение в основном увеличивает существующую информацию.

Дополнительную информацию о различии между данными детектора и усовершенствованием вычислений см. Обработка искусственного интеллекта в тепловизионных прицелах.

Потребляет ли детектор 12 мкм меньше энергии?

Шаг пикселя сам по себе не определяет общее энергопотребление устройства.

Готовое тепловое устройство включает в себя:

• детектор,
• считывающая электроника,
• оборудование для обработки,
• дисплей,
• хранение,
• дальномерное оборудование, если оно установлено,
• беспроводные функции, если они установлены,
• и система управления питанием.

Уменьшение геометрии детектора может способствовать созданию более компактных электронных конструкций, но это не оправдывает предположения, что устройство с 12 мкм будет иметь более длительное время автономной работы, чем устройство с 17 мкм.

Время работы батареи необходимо оценивать на основе полных измерений на уровне продукта.

Тот же принцип применим и к весу продукта: меньшая геометрия детектора может обеспечить более компактную конструкцию, но окончательный вес определяется всей оптической, механической и электронной системой.

Почему качество линз по-прежнему имеет значение

Детектор не может восстановить пространственные детали, которые не может передать объектив.

Меньшие пиксели обеспечивают более точную выборку детектора, но оптическая система должна иметь достаточную разрешающую способность, чтобы воспользоваться этим преимуществом.

Фокусное расстояние, число f, материал линзы, пропускание, аберрации, точность фокусировки и дифракция — все это влияет на сигнал и пространственные детали, достигающие FPA.

Оптическое наведение FLIR аналогичным образом рассматривает фокусное расстояние, поле зрения, IFOV и число f как взаимосвязанные параметры конструкции, а не как независимые характеристики.

Вот почему сравнение двух тепловых устройств только по шагу пикселя может ввести в заблуждение.

Хорошо сбалансированная система 17 мкм может превзойти плохо оптимизированную систему 12 мкм в областях, важных для пользователя.

Аналогичным образом, хорошо спроектированная 12-микронная система может сочетать в себе точную пространственную выборку с компактной оптикой и высокой температурной чувствительностью.

Система имеет большее значение, чем просто номер шага.

Как сравнить тепловые системы 12 мкм и 17 мкм

При оценке двух тепловых устройств сравните их характеристики как группы.

1. Проверьте собственное разрешение детектора.
   Не путайте шаг пикселя с общим количеством пикселей детектора.
2. Сравните шаг пикселя.
   Используйте его, чтобы понять геометрию детектора и возможные различия в пространственной выборке.
3. Проверьте фокусное расстояние объектива и поле зрения одновременно.
   Шаг пикселя без информации об объективе не дает информации о геометрии просмотра.
4. Посмотрите IFOV, когда он доступен.
   IFOV обеспечивает более прямую индикацию угловой выборки на пиксель детектора.
5. Сравните NETD отдельно.
   Меньший шаг пикселя не гарантирует более низкий NETD.
6. Проверьте оптическое число f.
   Это влияет на то, сколько инфракрасной энергии достигает детектора, и его следует учитывать при сравнении характеристик чувствительности.
7. Сравните частоту обновления самостоятельно.
   Шаг пикселя не определяет плавность движения.
8. Оцените обработку изображений отдельно.
   Повышение резкости, шумоподавление, обработка контраста и суперразрешение могут повлиять на окончательный вид без изменения исходной геометрии детектора.
9. Сравните реальную производительность в полевых условиях.
   Спецификации описывают компоненты системы; контролируемое сравнение изображений показывает, как эти компоненты работают вместе.

Этот системный подход также имеет решающее значение для понимания что определяет тепловизионный прицел высокого класса.

Является ли 12 мкм «новым стандартом»?

Точнее сказать, что шаг пикселя 12 мкм стал широко использоваться в современных конструкциях неохлаждаемых тепловых детекторов.

Коммерческие тепловые сердечники от основных поставщиков детекторов теперь используют пиксели размером 12 мкм для различных разрешений и приложений.

Но «широко использовать» — это не значит утверждать, что каждое устройство с размером 12 мкм лучше или что пиксели с большим шагом устарели.

Детектор следует оценивать по полной комбинации:

• родное разрешение,
• шаг пикселя,
• NETD,
• дизайн линз,
• поле зрения,
• IFOV,
• частота обновления,
• обработка изображений,
• и требования приложения.

Реальное преимущество технологии 12 мкм не в том, что это число само по себе гарантирует лучшее изображение. Дело в том, что меньшая геометрия детектора дает разработчикам дополнительные возможности для достижения точной угловой выборки, более высокой плотности пикселей и более компактных оптических систем.

Насколько хорошо эти возможности будут реализованы, по-прежнему зависит от всей тепловизионной платформы.

Часто задаваемые вопросы