Шаг пикселя | 12 мкм против 17 мкм

Определение того, какой шаг пикселя тепловизионного датчика (также известного как микроболометр) вам лучше подходит – 12 или 17 микрон – является распространенной дилеммой. Имеет ли значение размер? Простой ответ – да, имеет. Но вам следует заранее знать, что шаг пикселя оказывает непосредственное влияние на базовое увеличение, качество изображения и чувствительность тепловизора. Поэтому когда дело доходит до выбора правильного датчика, существует много убеждений и ложных представлений. В этой статье мы попытаемся объяснить их все.

Размер имеет значение

Обычный пользователь определяет класс тепловизионного прибора по разрешению сенсора или, другими словами, по количеству пикселей по горизонтали и вертикали. Хотя существует много других факторов, определяющих качество теплового изображения, для этого есть причина. чем больше пикселей содержит сенсор, тем больше деталей наблюдаемого изображения может показать пользователю.

От чего зависит качество теплового изображения?

Разрешение тепловизионного прибора определяется параметрами оптических элементов, сенсора, дисплея, качеством конструктивного решения, а также алгоритмами обработки сигналов. В этой статье мы рассмотрим только влияние параметров сенсора на качество теплового изображения. Что касается остальных параметров, то будем исходить из того, что они решаются оптимальным образом.

Пространственное разрешение характеризует способность тепловизионного прибора отображать отдельно две близко расположенные точки или линии. Чем выше разрешение, тем четче изображение отображается пользователю. С точки зрения пользователя, пространственное разрешение является наиболее понятным и объективным параметром для определения качества изображения тепловизионного прибора.

Тепловое разрешение (минимальная выявляемая разница температур) – это предельное отношение сигнала наблюдаемого объекта к сигналу фона, учитывая шум тепловизионного датчика. Высокое тепловое разрешение означает, что тепловизор может обнаружить объект с определенной температурой на фоне с подобной температурой. Чем меньше разница между температурой объекта и фона, регистрируемыми тепловизионным прибором, тем выше тепловое разрешение.

Важнейшей характеристикой, влияющей на тепловое разрешение тепловизионного прибора, является NETD (разница температур, эквивалентная шуму) датчика. Она измеряется в милликельвинах. NETD датчика – это параметр, представляющий малейшую разность температур, которую может воспринять датчик. Этот параметр соответствует отношению сигнал/шум, равный единице. Другими словами, изменение выходного сигнала датчика при разности температур, равное NETD, соответствует уровню шума датчика. Чем ниже значение NETD, тем выше чувствительность датчика.

Выбирая тепловизор, покупатели руководствуются разными аргументами: базовое увеличение, дальность обнаружения, поле зрения, вес, размер, цена. Однако даже в самом подробном техническом паспорте, который предоставляют производители тепловизионных приборов, нет пункта «качество изображения». В то же время даже приборы с одинаковыми полевыми характеристиками на бумаге показывают заметно разные результаты в реальности.

Давайте сравним два тепловизора от Pulsar: Axion 2 XG35 и Helion 2 XP50 Pro.

Это хороший пример тепловизионных приборов с подобными полевыми характеристиками, но разной ценой. Axion 2 XG35 и Helion 2 XP50 Pro имеют одинаковое пространственное разрешение сенсора 640-480 пикселей, увеличение 2,5-20x, а также схожие поля зрения (12,5-9,4 и 12,4-9,3 градуса) и дальности обнаружения метров).

Итак, в чем причина 30% разницы в цене? Ответ — качество изображения.

Как оценить качество тепловизионного изображения

Допустим, вы выходите в поле летним вечером с Axion 2 XG35 и Helion 2 XP50 Pro и смотрите в окуляр. В таком случае только хорошо обученный глаз заметит разницу в качестве изображения – оба устройства будут показывать примерно одинаковые контрастные и детализированные изображения.

Однако охота редко происходит в идеальных условиях и в идеальное для тепловизионного прибора время суток. Сезон активной охоты в Европе приходится на осень и зиму, время влажной погоды с дождем, туманом и ночными заморозками. Разница в цене становится очевидной при таких реальных условиях.

В условиях низкого теплового контраста изображение в Helion 2 XP50 Pro является более информативным по сравнению с Axion 2 XG35. Это не набор пятен с ограниченным количеством оттенков между черным и белым; это «фотографическое» контрастное изображение с большим диапазоном средних тонов и высококачественной визуализацией цели и фона. Наилучшее тепловое разрешение Helion 2 XP50 Pro вытекает, прежде всего, из чувствительности сенсора NETD – хороший NETD особенно важен для сцен с низким тепловым контрастом, когда объекты имеют примерно одинаковую температуру. К примеру, пейзажи.

Наблюдение низкоконтрастных тепловых сцен четко демонстрирует согласованность между тепловым разрешением и пространственным разрешением тепловизионного прибора. Казалось бы, что в устройствах с одинаковым разрешением сенсора (в нашем случае оба сенсора имеют разрешение 640×480 пикселей) изображение, видимое на дисплее, должно быть одинаково детализированным.

Нет. Если тепловой контраст сцены низкий, то тепловизор с более низким тепловым разрешением (высшее значение NETD сенсора) будет показывать хуже различение деталей. Участки с подобными температурами будут отображаться на дисплее как одинаковые, и они будут иметь одинаковую яркость и контрастность на изображении группы пикселей. Фактически это означает меньшее пространственное разрешение.

Таким образом, пространственное разрешение видимого изображения не постоянно и может снижаться с уменьшением теплового контраста наблюдаемой сцены. Это кажется парадоксом, но тепловизионные приборы с низшим разрешением сенсора и лучшей чувствительностью (например, 384×288 пикселей @ 17 мкм / NETD < 25 мК) могут отображать сцены с низкой контрастностью подробнее, чем тепловизионные приборы 640×480 пикселей @ 12 мкм / NETD < 40 мК).

Чувственность сенсора не влияет на дальность обнаружения (она зависит от фокусировки объектива и шага пикселя сенсора). В нашем примере Helion 2 XP50 Pro и Axion 2 XG35 имеют одинаковую дальность обнаружения стандартного объекта высотой 1,8 м. Однако, если говорить о качественных характеристиках дальности наблюдения, а именно о дальности распознавания и идентификации, то с уменьшением контрастности сцены (туман, до XG35 будет заметно быстрее «проигрывать».

Больший пиксель, лучшее качество

Вернемся к примерам. В каждом из рассмотренных случаев наилучшее качество изображения показали устройства с сенсором с NETD-25 мК. Причем оба эти сенсора имеют шаг пикселя 17 микрон.

NETD датчика

Чем больше пиксель и чем больше его площадь, тем больше LWIR (длинноволнового инфракрасного) излучения он способен принимать и тем выше чувствительность всего тепловизионного датчика. Воздействие размера датчика на NETD лежит в основе самого принципа работы датчиков с тем или иным размером пикселя.

Это ясно видно на нашем примере. Датчики имеют одинаковое разрешение, 640×480 пикселей, но сенсор тепловизионного прибора Helion 2 XP50 Pro имеет больший размер пикселя (17 микрон против 12 микрон) и, наконец, лучшую чувствительность (NETD 25 мК против NETD).

Как результат, Helion 2 XP50 Pro –; это устройство профессионального уровня. Покупая этот тепловизор, клиент платит не только за высокое качество изображения, но и за уверенность в том, что устройство справится с любыми неожиданностями, которые может поднять погода во время охоты.

Несколько слов о преимуществах сенсоров с малыми размерами пикселей. Во-первых, для тепловизионных приборов с сенсором с меньшим пикселем, одинаковая дальность обнаружения, увеличения и поля зрения могут быть достигнуты с объективами с меньшим фокусом. Именно это показал Axion 2 XG35.

В паре Axion 2 XG35 и Helion 2 XP50 Pro оба устройства имеют одинаковую дальность обнаружения. Axion использует объектив с меньшим фокусом (F35/1.0), а Helion – с большим фокусом (F50/1.0), но дальность обнаружения устройств одинакова из-за меньшего пикселя в сенсоре Axion. В идеальных условиях с ухудшением теплового контраста в месте наблюдения Helion 2 XP50 Pro покажет лучшие результаты как устройство с лучшим сенсором NETD.

Во-вторых, при том же разрешении, сенсор с меньшим размером пикселя будет иметь меньший физический размер. Следовательно, устройство на его основе можно сделать более компактным.

Что за пределами чисел

Если сравнить современный 12-микронный сенсор и сенсор начала 21 века с пикселем 25 микрон, то NETD последнего вполне возможно будет выше, поскольку за 20 лет произошел серьезный прогресс в развитии технологий изготовления микроболометрических сенсоров и качества используемых материалов.

В современных сенсорах, чем больше размер пикселя, тем выше чувствительность (индекс NETD ниже). Это всеобщая истина – используя те же материалы, невозможно создать тепловизор с меньшим размером пикселя, более низкой ценой и одновременно лучшей чувствительностью.

NETD датчика измеряется в соответствии с нормативными актами, одинаковыми или похожими для всех производителей. Но в последнее время наблюдается превращение NETD из специальной технической характеристики в популярный инструмент продвижения устройств, что не всегда добросовестно.

Сейчас лучшие производственные партии датчиков с шагом пикселя 17 мкм достигают NETD менее 25 мК, с шагом пикселя 12 мкм – . менее 40 мк. В то же время у партии всегда есть определенное количество датчиков с более низким значением NETD. Это означает, что производители могут собрать небольшое количество высокочувствительных тепловизионных приборов, которые используются в качестве демонстрационных образцов при выводе на рынок. Между тем такую ​​чувствительность невозможно поддерживать при изготовлении каких-либо значительных производственных партий приборов. Однако в рекламных и информационных материалах о продукте декларируется повышенная чувствительность на протяжении всего жизненного цикла.

При написании технических характеристик в сертификате устройства некоторые производители руководствуются параметрами лидеров рынка и указывают цифры, которые хочет видеть потенциальный потребитель. Как следствие, сегодня на рынке можно найти устройства со значением NETD менее 25 мК, заявленным для сенсоров с 12-микронным пикселем (например, для сенсора 640×512@12µm), что не соответствует действительности.

Некоторые производители используют и учитывают постобработку сигналов, такую ​​как фильтрация изображений, для увеличения значения NETD. Результат, полученный таким образом, нельзя считать значением датчика NETD. Более правильно, это значение NETD тепловизионного прибора и хорошо смотрится на бумаге. На самом деле улучшение NETD (т.е. уменьшение значения параметра) за счет фильтрации изображения приводит к уменьшению пространственного разрешения изображения, видимого на дисплее, а также к потере детализации изображения и снижает его информативность.

В разработке датчиков и тепловизионных приборов существуют объективные законы и ограничения, которые невозможно обойти. Лучший тепловизор не может быть дешевым. Если тепловизионные приборы, подобные заявленным полевым и функциональным возможностям, имеют существенную разницу в цене, то очень вероятно, что низкая цена в более доступном приборе достигается путем компромиссов по качеству изображения. Это следует учитывать при выборе тепловизионного прибора.