Тепловизионный FPA — это массив в фокальной плоскости, который преобразует входящую инфракрасную энергию в данные детектора, используемые для построения теплового изображения. Разрешение детектора показывает, сколько чувствительных элементов доступно. Шаг пикселей описывает их физическое расстояние. NETD относится к термической чувствительности. Частота обновления описывает, как часто создаются новые кадры изображения.
В центре этой цепочки находится Решетка в фокальной плоскостиили FPA.
Во многих современных неохлаждаемых тепловизионных системах FPA представляет собой массив детекторных элементов микроболометра, расположенных в фокальной плоскости инфракрасной оптической системы. Понимание того, что происходит на этом этапе, значительно облегчает интерпретацию спецификаций, которые появляются позже в технических характеристиках теплового продукта.
Более подробную информацию о формировании теплового изображения и основных характеристиках см. в нашей статье. гид по тепловизионной технике для начинающих руководства.
Что такое решетка в фокальной плоскости?
Матрица в фокальной плоскости — это двумерная детекторная матрица, расположенная там, где инфракрасная оптическая система формирует изображение.
Вместо сканирования сцены одним детекторным элементом FPA содержит множество детекторных элементов, расположенных в ряды и столбцы. Каждый элемент собирает инфракрасную энергию из небольшой части сцены.
В неохлаждаемом микроболометре FPA входящее инфракрасное излучение поглощается очень маленькими термически изолированными детекторными структурами. Поглощенная энергия вызывает небольшое изменение температуры, которое изменяет электрические свойства чувствительного материала. Схема считывания затем преобразует эти изменения в электрические сигналы, которые можно преобразовать в тепловое изображение. NIST описывает основной процесс микроболометра как абсорбционный инфракрасный нагрев микромоста с последующим изменением сопротивления в зависимости от температуры, которое преобразуется в электрический сигнал.
Как работает пиксель микроболометра
Типичный микроболометр — это не просто миниатюрный пиксель камеры видимого света.
Его чувствительная структура спроектирована так, чтобы поглощать инфракрасное излучение, оставаясь при этом термически изолированной от лежащей в основе считывающей электроники. В современных неохлаждаемых устройствах обычно используется подвесная мембрана, соединенная со схемой считывания через узкие опорные конструкции.
Упрощенный процесс:
- Инфракрасное излучение достигает детектора.
- Микроболометр поглощает часть этой энергии.
- Его температура меняется незначительно.
- Чувствительный к температуре материал меняет электрическое сопротивление.
- Считывающая электроника измеряет результирующий электрический сигнал.
- Калибровка и обработка изображения преобразуют данные детектора в изображение, показываемое пользователю.
LYNRED аналогичным образом описывает неохлаждаемые микроболометры LWIR как подвесные конструкции, содержащие терморезистивный материал, со схемой считывания показаний под матрицей детекторов.
Таким образом, FPA обеспечивает тепловые измерения, которые составляют основу изображения. Он сам по себе не определяет, как будет выглядеть окончательный результат.
Разрешение FPA: сколько элементов детектора?
Разрешение теплового детектора обычно выражается количеством пикселей по горизонтали и вертикали.
Например:
- 384 × 288 = 110 592 элемента детектора
- 640 × 512 = 327 680 элементов детектора
Таким образом, детектор размером 640 × 512 содержит почти в три раза больше чувствительных элементов, чем детектор 384 × 288.
Если две системы используют сопоставимую оптику и охватывают одно и то же поле зрения, детектор с более высоким разрешением может сканировать сцену в большем количестве пространственных точек.
Это может предоставить больше информации о небольших структурах и целевых границах.
Но само по себе разрешение не определяет конечное качество изображения или практический диапазон. Качество объектива, поле зрения, шаг пикселя, тепловая чувствительность, фокусировка, атмосферные условия и обработка изображения по-прежнему имеют значение.
Разрешение детектора не соответствует разрешению дисплея
Это различие важно.
Устройство может иметь:
- одно собственное разрешение детектора,
- другое разрешение обработки,
- и другое разрешение экрана.
Например, отображение изображения детектора размером 384 × 288 на OLED-экране с более высоким разрешением не превращает тепловой детектор в FPA с более высоким разрешением.
Дисплей может отображать изображение более плавно или обеспечивать дополнительную детализацию интерфейса, но исходные тепловые измерения по-прежнему выполняются с помощью собственной матрицы детекторов.
Аналогично, интерполяция или сверхразрешение не меняют количество пикселей физического детектора.
Шаг пикселя и разрешение FPA работают вместе
Разрешение показывает, сколько элементов детектора существует.
Шаг пикселя показывает, насколько физически далеко друг от друга находятся эти элементы.
Эти две спецификации всегда следует читать отдельно.
Детектор 640 × 512 с шагом 12 мкм и детектор 640 × 512 с шагом 17 мкм содержат одинаковое количество детекторных элементов, но их физические размеры матрицы различны.
Шаг пикселя также взаимодействует с фокусным расстоянием объектива для определения угловой выборки или IFOV.
Вот почему сравнение только разрешения детектора может упустить важную часть геометрии изображения.
Полную связь между размерами детектора 12 мкм, 17 мкм и IFOV см. в нашем руководстве по шаге пикселя 12 мкм в тепловизионной технике.
Что означает частота обновления в тепловизионном изображении?
Частота обновления, частота кадров или частота изображения описывают, как часто тепловизионная система создает новый кадр изображения.
Система работает на:
- 30 Гц производит около 30 новых кадров в секунду
- 50 Гц производит около 50 новых кадров в секунду
- 60 Гц производит около 60 новых кадров в секунду
Выражается как время между кадрами, то есть примерно:
- 30 Гц → 33,3 мс на кадр
- 50 Гц → 20 мс на кадр
- 60 Гц → 16,7 мс на кадр
Более высокая частота кадров обеспечивает больше временных выборок движущейся сцены.
Обычно это делает движение более непрерывным и облегчает панорамирование или отслеживание движущихся объектов.
Это делает не добавить пространственное разрешение.
Детектор 384 × 288, работающий на частоте 60 Гц, по-прежнему имеет собственные детекторные элементы 384 × 288.
Аналогично, детектор 640 × 512, работающий на частоте 30 Гц, по-прежнему содержит больше пространственных выборок, чем детектор 384 × 288, работающий на частоте 60 Гц.
Разрешение и частота кадров описывают разные аспекты производительности.
Частота обновления не совпадает со временем отклика микроболометра
Еще одним важным отличием является разница между частота кадров и время отклика детектора.
Микроболометр не реагирует мгновенно на изменение поступающего инфракрасного излучения. Его термической структуре требуется время, чтобы нагреться или остыть до нового состояния.
Такое поведение часто описывается тепловой постоянной времени.
FLIR отмечает, что тепловая постоянная времени в некоторых из ее камер-микроболометров составляет примерно 7–12 мс, и особо предупреждает, что ее не следует путать со временем интеграции детектора.
Это число не является универсальным значением для каждого теплового детектора, но оно иллюстрирует принцип:
частота считывания кадров и скорость реакции каждого детекторного элемента — это связанные характеристики системы, но они не совпадают.
Почему разница имеет значение
Представьте себе тепловую систему, производящую 60 кадров в секунду.
Интервал кадра составляет примерно 16,7 мс.
Это не означает автоматически, что детектор может идеально распознать каждое тепловое событие, происходящее в этом интервале.
Если тепловой отклик детектора медленный по сравнению с движением сцены или изменением температуры, результирующее изображение все равно может иметь временное размытие или пониженный контраст на быстро меняющихся объектах.
Поэтому высокую частоту кадров нельзя оценить полностью независимо от характеристик отклика детектора.
Частота кадров сенсора и частота обновления дисплея также различаются
Третья спецификация может создать путаницу: частота обновления дисплея.
Тепловой детектор может генерировать изображения на одной частоте, в то время как OLED- или ЖК-дисплей обновляется на другой.
Например, дисплей, способный обновляться с частотой 60 Гц, не означает автоматически, что термодетектор создает 60 уникальных тепловых кадров каждую секунду.
Если конвейер детектора выдает только 30 тепловых кадров в секунду, более быстрый дисплей может плавно отображать эти кадры, но не может создавать дополнительные физические тепловые измерения.
Сравнивая товары, различают:
- частота изображения детектора/сенсора,
- выходная частота обработки изображений,
- частота обновления дисплея.
Когда это возможно, характеристикой, которая имеет значение для движения сцены, является скорость, с которой доступны действительно новые данные теплового изображения.
Разрешение и частота обновления решают разные проблемы
Полезно рассматривать разрешение и частоту обновления по двум разным осям.
| Характеристики | В первую очередь описывает | Это не говорит вам напрямую |
|---|---|---|
| Разрешение детектора | Пространственная выборка | Скорость обновления движения |
| Шаг пикселя | Геометрия детектора/угловая выборка с линзой | Термическая чувствительность сама по себе |
| NETD | Чувствительность к небольшим перепадам температур в определенных условиях | Разрешение детектора |
| Частота изображения/частота кадров | Временная дискретизация | Пространственная деталь |
| Термическая постоянная времени | Динамика срабатывания детектора | Количество пикселей детектора |
| Разрешение дисплея | Как представлено обработанное изображение | Нативное разрешение FPA |
Вот почему одна спецификация не должна использоваться в качестве замены другой.
Детектор с более высоким разрешением не имеет автоматически более высокую частоту обновления.
Более высокая частота обновления не приводит автоматически к увеличению пространственной детализации.
И меньший шаг пикселя не гарантирует автоматически более низкий NETD.
Какую роль играет NETD?
NETD, или разность температур, эквивалентная шуму, — это еще одна характеристика, связанная с детектором, которую часто смешивают с разрешением.
NETD описывает способность тепловизионной системы различать небольшие различия в тепловом сигнале в определенных условиях испытаний.
Более низкий NETD обычно указывает на большую термическую чувствительность в таких условиях.
Но NETD — это не другая форма решения.
Два детектора могут иметь одинаковое разрешение и разные значения NETD.
Два детектора также могут иметь схожие характеристики NETD, но разные разрешения, шаг пикселей или оптические конфигурации.
Полезный способ подумать о различии:
- Разрешение: сколько пространственных выборок доступно
- NETD: насколько мала температурная разница, которую система может различить при определенных условиях
- Частота кадров: как часто сцена сэмплируется во времени
Все три могут повлиять на удобство использования тепловизора, но они измеряют разные вещи.
NETD также не следует интерпретировать как доказательство того, что устройство может «видеть сквозь» туман, дождь, растительность или другие физические препятствия. Пропускание атмосферы и контраст цели к фону по-прежнему влияют на инфракрасный сигнал, достигающий детектора.
От необработанных данных FPA к отображаемому изображению
Выходные данные детектора — это только начало конвейера визуализации.
Необработанные данные FPA обычно требуют обработки, прежде чем они станут тепловым изображением, отображаемым на дисплее.
В зависимости от устройства цепочка обработки может включать в себя:
- калибровка детектора,
- коррекция неравномерности,
- коррекция битых пикселей,
- автоматическая регулировка усиления,
- снижение шума,
- контрастная обработка,
- заточка,
- масштабирование изображения,
- отображение палитры,
- цифровой зум,
- а в некоторых системах обработка с помощью нейронных сетей или искусственного интеллекта.
Вот почему два устройства, использующие датчики с одинаковыми характеристиками, могут по-прежнему выдавать заметно разные выходные данные.
Детектор определяет доступные измерения. Оптика определяет, как инфракрасная энергия достигает детектора. Обработка определяет, как эти измерения корректируются и представляются.
Дополнительную информацию о вычислительной стороне этого конвейера см. Обработка искусственного интеллекта в тепловизионных прицелах.
Всегда ли более высокое разрешение означает лучшее тепловое изображение?
Нет.
Более высокое разрешение детектора ценно, поскольку оно обеспечивает больше пространственных выборок, но качество изображения является результатом работы системы.
Рассмотрим детектор с более высоким разрешением в сочетании с:
- плохо сфокусированный объектив,
- недостаточное оптическое разрешение,
- высокий шум детектора,
- неправильная обработка изображений,
- или неподходящее поле зрения.
Дополнительные пиксели не решают эти проблемы автоматически.
И наоборот, система с более низким разрешением, хорошей оптикой, подходящим полем зрения, высокой тепловой чувствительностью и хорошо настроенной обработкой может работать очень эффективно для своего предполагаемого применения.
Вот почему разрешение детектора следует рассматривать как важную характеристику, а не как полный рейтинг продукта.
Всегда ли более высокая частота обновления означает лучшую производительность?
Нет.
Более высокая частота кадров наиболее ценна, когда сцена или устройство движется.
Для преимущественно стационарных наблюдений разница между двумя частотами кадров может быть менее важной, чем разрешение детектора, поле зрения, NETD или оптическая конструкция.
Более высокая частота кадров также требует, чтобы детектор, электроника считывания и конвейер обработки изображений обрабатывали больше информации в секунду.
Таким образом, правильная частота кадров зависит от предполагаемого использования, а не от универсального порога.
Такие заявления, как:
«Все, что ниже 50 Гц, недостаточно»
слишком абсолютны.
Коммерческие тепловизионные системы существуют с разной частотой кадров для разных приложений. FLIR, например, продает системы микроболометров с диапазоном частот изображения от однозначных до 30 Гц и выше, демонстрируя, что частота кадров — это выбор конструкции, зависящий от приложения, а не единый порог качества.
Как правильно сравнивать характеристики FPA
При оценке раздела детектора в спецификации тепловидения используйте следующий порядок.
- Определите тип детектора.
Убедитесь, что в устройстве используется неохлаждаемый микроболометр или детектор другой архитектуры. - Проверьте собственное разрешение детектора.
Используйте фактические размеры FPA, а не разрешение экрана или разрешение расширенного вывода. - Проверьте шаг пикселя.
Объедините шаг с фокусным расстоянием и полем зрения при оценке угловой выборки. - Сравните поле зрения.
Одно и то же разрешение детектора может вести себя по-разному под разными линзами. - Проверьте частоту изображения или частоту кадров сенсора.
Не заменяйте частоту обновления дисплея частотой изображения датчика. - Проверьте NETD отдельно.
Чувствительность и пространственное разрешение описывают разные характеристики. - Проверьте время отклика, если производитель публикует его.
Не думайте, что сама по себе частота кадров определяет реакцию детектора на быстрые температурные изменения. - Посмотрите на оптическую систему.
Фокусное расстояние, число f, пропускание и фокус влияют на инфракрасный сигнал, достигающий FPA. - Рассмотрим обработку изображений.
Шумоподавление, повышение резкости, калибровка и сверхразрешение могут изменить отображаемый результат. - Сравните реальные изображения в контролируемых условиях.
Характеристики наиболее полезны, когда сцена, расстояние, настройки объектива, погода и условия отображения сопоставимы.
Тот же подход на системном уровне важен при оценке что определяет тепловизионный прицел высокого класса.
Спецификации FPA следует рассматривать как систему
FPA имеет основополагающее значение для тепловидения, но не является изолированным показателем качества.
Разрешение определяет количество образцов собственного детектора.
Шаг пикселя влияет на геометрию детектора и, вместе с фокусным расстоянием, на угловую выборку.
NETD описывает тепловую чувствительность при заданных условиях.
Частота кадров описывает временную выборку.
Время отклика детектора влияет на то, насколько быстро чувствительные элементы реагируют на изменение инфракрасной энергии.
Объектив определяет, какая инфракрасная информация попадает в детектор, а конвейер обработки определяет, как эта информация корректируется и отображается.
Поэтому полезная таблица тепловых характеристик не должна сводиться к одному заголовку.
Наиболее значимое сравнение происходит благодаря пониманию того, как эти спецификации работают вместе.
Часто задаваемые вопросы
Что означает FPA в тепловидении?
ФПА означает матричный фотоприемник (матрицу в фокальной плоскости). Это двумерная матрица элементов инфракрасного детектора, расположенная в фокальной плоскости тепловой оптической системы.
Является ли микроболометр тем же самым, что и матрица фокальной плоскости (FPA)?
Не совсем так. Микроболометр — это отдельный элемент теплового детектора или технология детекторов. Неохлаждаемая микроболометрическая матрица фокальной плоскости (ФПА) содержит множество микроболометрических элементов, расположенных в виде массива изображения.
Всегда ли разрешение 640 × 512 лучше, чем 384 × 288?
Нет. Детектор 640 × 512 содержит больше исходных элементов и может обеспечивать более детальную пространственную выборку при сопоставимых оптических условиях, однако общие характеристики изображения также зависят от шага пикселей, конструкции объектива, поля зрения, NETD, обработки и других факторов.
Всегда ли 60 Гц лучше, чем 30 Гц?
Нет. Более высокая частота кадров обеспечивает больше временных выборок и обычно улучшает непрерывность движения, но имеет ли это значение, зависит от приложения. Частота кадров не увеличивает собственное разрешение детектора и не улучшает автоматически тепловую чувствительность.
Частота обновления дисплея совпадает с частотой кадров термодатчика?
Нет. Дисплей может обновляться с частотой, отличной от частоты детектора. Более быстрый дисплей не может обеспечить дополнительные тепловые измерения, если детектор и конвейер обработки создают меньше уникальных тепловых кадров.
Означает ли более низкий NETD более высокое разрешение?
Нет. NETD описывает тепловую чувствительность, а разрешение описывает количество элементов детектора. Их следует оценивать независимо.
