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Ein häufiges Dilemma – wie findet man heraus, welcher Pixelabstand des Wärmebildsensors (auch bekannt als Mikrobolometer) für einen am besten ist: 12 oder 17 Mikrometer? Mit anderen Worten: Spielt die Größe eine Rolle? Die einfache Antwort lautet: Ja, das tut sie. Was Sie aber vorher wissen sollten: Der Pixelabstand hat direkten Einfluss auf die Basisvergrößerung, die Bildqualität und die Empfindlichkeit der Wärmebildkamera. Es kursieren viele verschiedene Meinungen und falsche Vorstellungen. In diesem Artikel werden wir versuchen, das alles aufzuklären.
Die Größe spielt eine Rolle
Ein normaler Benutzer bestimmt die Klasse eines Wärmebildgeräts anhand der Sensorauflösung oder, mit anderen Worten, anhand der Anzahl der Pixel in horizontaler und vertikaler Richtung. Obwohl die Qualität eines Wärmebildes von vielen weiteren Faktoren abhängt, gibt es dafür einen Grund: Je mehr Pixel ein Sensor enthält, desto mehr Details des beobachteten Bildes kann er dem Benutzer anzeigen.
Was ist Wärmebildqualität
Die Auflösung eines Wärmebildgeräts wird von den Parametern der optischen Elemente, des Sensors, des Bildschirms, der Qualität des Designkonzepts und der Signalverarbeitungsalgorithmen bestimmt. In diesem Artikel werden wir nur den Einfluss der Parameter des Sensors auf die Qualität eines Wärmebildes betrachten. Bei den übrigen Parametern gehen wir davon aus, dass sie optimiert worden sind.
Die Auflösung eines Wärmebildgeräts ist ein komplexer Parameter, der sich aus thermischer und räumlicher Auflösung zusammensetzt.
Die räumliche Auflösung beschreibt die Fähigkeit eines Wärmebildgerätes, zwei eng beieinander liegende Punkte oder Linien getrennt darzustellen. Je höher die Auflösung ist, desto klarer ist das Bild für den Benutzer. Aus der Sicht des Benutzers ist die räumliche Auflösung der am ehesten verständliche und objektive Parameter zur Bestimmung der Bildqualität eines Wärmebildgeräts.
Die thermische Auflösung (minimale erkennbare Temperaturdifferenz) ist das Grenzverhältnis des beobachteten Objektsignals zum Hintergrundsignal unter Berücksichtigung des Rauschens eines Wärmebildsensors. Hohe thermische Auflösung bedeutet, dass ein Wärmebildgerät ein Objekt mit einer bestimmten Temperatur vor einem Hintergrund mit einer wenig unterschiedlichen Temperatur erkennen kann. Je kleiner der Unterschied zwischen der Objekt- und der Hintergrundtemperatur ist, die von einem Wärmebildgerät aufgezeichnet wird, desto höher ist die thermische Auflösung.
Das wichtigste Merkmal, das die thermische Auflösung eines Wärmebildgerätes beeinflusst, ist die Rauschäquivalente Temperaturdifferenz (Noise Equivalent Temperature Difference, NETD) des Sensors. Sie wird in Millikelvins gemessen. Der NETD-Wert eines Sensors ist ein Parameter, der die kleinste Temperaturdifferenz angibt, die der Sensor wahrnehmen kann. Dieser Parameter entspricht einem Signal-Rausch-Verhältnis von eins. Mit anderen Worten: Die Änderung des Sensorausgangssignals bei einer Temperaturdifferenz in der Größe der NETD entspricht dem Rauschpegel des Sensors. Je niedriger der NETD-Wert ist, desto höher ist die Sensorempfindlichkeit.
Bei der Wahl eines Wärmebildgeräts lassen sich die Kunden von verschiedenen Spezifikationen leiten: Basisvergrößerung, Erkennungsreichweite, Sehfeld, Gewicht, Größe und Preis. Allerdings enthalten nicht einmal die detailliertesten technischen Datenblätter der Hersteller von Wärmebildgeräten die Spezifikation „Bildqualität“. Gleichzeitig zeigen selbst Geräte mit gleichen Spezifikationen im Einsatz deutlich unterschiedliche Ergebnisse.
Vergleichen wir zwei Wärmebildkameras von Pulsar: das Axion 2 XG35 und das Helion 2 XP50 Pro.
Die ist ein gutes Beispiel für Wärmebildgeräte mit ähnlichen Spezifikationen, aber unterschiedlichem Preis. Das Axion 2 XG35 und das Helion 2 XP50 Pro haben die gleiche räumliche Auflösung des Sensors mit 640×480 Pixeln, eine 2,5- bis 20-fache Vergrößerung sowie ähnliche Sehfelder (12,5×9,4 und 12,4×9,3 Grad) und Erkennungsreichweiten (1750 und 1800 Meter).
Was ist der Grund für den Preisunterschied von 30 %? Die Antwort ist der Unterschied in der Bildqualität.
Wie man die Qualität der Wärmebildtechnik beurteilen kann
Wenn Sie an einem Sommerabend mit dem Axion 2 XG35 und dem Helion 2 XP50 Pro ins Feld gehen und durch das Okular schauen, wird nur ein geübtes Auge den Unterschied in der Bildqualität bemerken – beide Geräte zeigen in etwa gleich kontrastreiche und detaillierte Bilder.
Das Jagen findet jedoch selten unter idealen Bedingungen und zur idealen Tageszeit für ein Wärmebildgerät statt. Die Zeit des aktiven Jagens in Europa fällt in den Herbst und Winter, die Zeit mit feuchtem Wetter mit Regen, Nebel und Nachtfrost. Unter solchen realen Bedingungen wird der Unterschied im Preis deutlich.
Bei geringem Wärmebildkontrast enthält das Bild des Helion 2 XP50 Pro mehr Information als das des Axion 2 XG35. Bei dem Helion handelt sich nicht um eine Reihe von Flecken mit einer begrenzten Anzahl von Schattierungen zwischen Schwarz und Weiß, sondern um ein „fotografisches“ Kontrastbild mit einer großen Bandbreite von Mitteltönen und einer hochgradigen Wiedergabe von Ziel und Hintergrund. Die bessere thermische Auflösung des Helion 2 XP50 Pro ergibt sich in erster Linie aus der NETD-Empfindlichkeit des Sensors – eine gute NETD ist besonders wichtig für Szenen mit geringem Wärmebildkontrast, wenn die Objekte ungefähr die gleiche Temperatur haben. Zum Beispiel von Landschaften.
Bei der Beobachtung von Szenen mit geringem thermischen Kontrast zeigt sich deutlich der Zusammenhang zwischen thermischer und räumlicher Auflösung eines Wärmebildgerätes. Es scheint doch, dass bei Geräten mit der gleichen Sensorauflösung (in unserem Fall haben beide Sensoren eine Auflösung von 640×480 Pixeln), das auf dem Bildschirm sichtbare Bild gleich detailliert sein sollte?
Nein. Wenn der thermische Kontrast der Szene gering ist, zeigt ein Wärmebildgerät mit einer geringeren thermischen Auflösung (höherer NETD-Wert des Sensors) eine schlechtere Detailunterscheidung. Bereiche mit ähnlichen, aber unterschiedlichen Temperaturen werden auf dem Bildschirm als gleich dargestellt und haben im Bereich von Pixelgruppen die gleiche Helligkeit und den gleichen Kontrast. Dies bedeutet in der Tat dann auch eine geringere räumliche Auflösung.
Die räumliche Auflösung des angezeigten Bildes ist also nicht konstant und kann mit der Abnahme des thermischen Kontrasts der beobachteten Szene abnehmen. Es scheint paradox, aber Wärmebildgeräte mit geringerer räumlicher Sensorauflösung und besserer thermischer Auflösung (z. B. 384×288 Pixel @ 17 µm / NETD < 25 mK) können Szenen mit geringerem thermischen Kontrast detaillierter darstellen als Wärmebildgeräte mit höherer räumlicher Auflösung aber geringerer Empfindlichkeit (z. B. 640×480 Pixel @ 12 µm / NETD < 40 mK).
Die Sensorempfindlichkeit hat keinen Einfluss auf den Erkennungsreichweite (sie hängt von der Objektivbrennweite und dem Pixelabstand des Sensors ab). In unserem Beispiel haben der Helion 2 XP50 Pro und der Axion 2 XG35 die gleichen Erkennungsreichweite für ein 1,8 m hohes Standardobjekt. Wenn wir jedoch über die qualitativen Merkmale der Beobachtungsreichweite sprechen, nämlich der Erkennungs- und Identifizierungsentfernung, dann „verliert“ das Axion 2 XG35 Wärmebildgerät bei einer Verringerung des Szenenkontrasts (Nebel, Regen, Dunst, erhöhte Luftfeuchtigkeit) merklich schneller.
Größere Pixel, bessere Qualität
Kommen wir zurück zu den Beispielen. In jedem der betrachteten Fälle zeigten Geräte mit einem Sensor mit einer NETD <25 mK die beste Bildqualität, beide Sensoren haben einen Pixelabstand von 17 Mikrometern.
NETD des Sensors
Je größer der Pixel und je größer seine Fläche, desto mehr LWIR-Strahlung kann er empfangen und desto höher ist die Empfindlichkeit des gesamten Wärmebildsensors. Die Auswirkung der Sensorgröße auf NETD liegt in der Ideologie der Sensoren mit der einen oder anderen Pixelgröße begründet.
Dies ist in unserem Beispiel deutlich zu sehen. Die Sensoren haben die gleiche räumliche Auflösung, 640×480 Pixel, aber bei dem Sensor des Helion 2 XP50 Pro Wärmebildgerätes sind die Pixel größer (17 Mikrometer gegenüber 12 Mikrometer) und haben damit eine bessere thermische Auflösung (NETD <25 mK gegenüber NETD <40 mK).
Damit ist das Helion 2 XP50 Pro ein Gerät auf professionellem Niveau. Mit dem Kauf dieses Wärmebildgeräts zahlt der Kunde nicht nur für eine erstklassige Bildqualität, sondern auch für die Gewissheit, dass das Gerät mit allen Überraschungen fertig wird, die einem das Wetter beim Jagen bringen kann.
Ein paar Worte zu den Vorteilen von Sensoren mit kleiner Pixelgröße. Erstens kann bei Wärmebildgeräten mit einem Sensor mit kleinerem Pixel die gleiche Erkennungsreichweite, die gleiche Vergrößerung und das gleiche Sehfeld mit Objektiven mit kleinerer Brennweite erreicht werden. Das hat das Axion 2 XG35 bewiesen.
In einem Paar aus dem Axion 2 XG35 und dem Helion 2 XP50 Pro haben beide Geräte die gleichen Erkennungsreichweite. Das Axion verwendet ein Objektiv mit kleinerer Brennweite (F35/1.0), das Helion ein Objektiv mit größerer Brennweite (F50/1.0), aber die Erkennungsreichweite der Geräte ist aufgrund der kleineren Pixel im Axion-Sensor dieselbe. Unter idealen Bedingungen mit einer Verschlechterung des thermischen Kontrasts in der beobachteten Szene wird das Helion 2 XP50 Pro als Gerät mit dem besten NETD-Sensor bessere Ergebnisse liefern.
Zweitens hat ein Sensor mit einer kleineren Pixelgröße bei gleicher Auflösung eine geringere physische Größe. So kann das darauf basierende Gerät kompakter gestaltet werden.
Was hinter den Zahlen steckt
Vergleicht man einen modernen 12-Mikrometer-Sensor mit einem Sensor vom Anfang des 21. Jahrhunderts mit einem Pixel von 25 Mikrometern, so wird die NETD des ersteren höchstwahrscheinlich höher sein, da es in den letzten 20 Jahren erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung von Fertigungstechnologien für mikrobolometrische Sensoren und bei der Qualität der verwendeten Materialien gegeben hat.
Bei modernen Sensoren ist die Empfindlichkeit umso höher, je größer die Pixelgröße ist (der NETD-Index ist niedriger). Dies ist ein Axiom – mit den gleichen Materialien ist es unmöglich, einen Wärmebildsensor mit einer kleineren Pixelgröße, einem niedrigeren Preis und gleichzeitig einer besseren Empfindlichkeit herzustellen.
Das NETD des Sensors wird gemäß den Vorschriften gemessen, die für alle Hersteller gleich oder ähnlich sind. In letzter Zeit hat sich NETD jedoch von einer technischen Spezifikation in ein beliebtes Instrument zur Förderung von Geräten verwandelt, was nicht immer ganz gewissenhaft ist.
Heute erreichen die besten Produktionsserien von Sensoren mit einem Pixelabstand von 17 µm eine NETD von weniger als 25 mK, mit einem Pixelabstand von 12 µm von weniger als 40 mK. Gleichzeitig gibt es immer eine bestimmte Anzahl von Sensoren mit einem niedrigeren NETD-Wert in der Charge. Dies bedeutet, dass die Hersteller eine kleine Anzahl hochempfindlicher Wärmebildgeräte zusammenstellen können, die bei der Markteinführung als Demonstrationsmuster dienen. Eine solche Empfindlichkeit kann jedoch bei der Herstellung größerer Chargen von Produkten nicht aufrechterhalten werden. Gleichzeitig wird in der Werbung und in Informationsmaterialien über das Produkt die überschätzte Empfindlichkeit während des gesamten Lebenszyklus angegeben.
Beim Verfassen der technischen Daten in der Gerätebescheinigung orientieren sich einige Hersteller an den Parametern der Marktführer und geben die Zahlen an, die ein potenzieller Verbraucher sehen möchte. Infolgedessen findet man heute auf dem Markt Geräte mit einem NETD-Wert von weniger als 25 mK, der für Sensoren mit einem 12-Mikron-Pixel angegeben wird (zum Beispiel für einen Sensor 640×512 @12 µm), was nicht stimmt.
Einige Hersteller verwenden und berücksichtigen die Signalnachbearbeitung, wie z. B. die Bildfilterung, um den NETD-Wert zu erhöhen. Das auf diese Weise erhaltene Ergebnis kann nicht als NETD-Wert des Sensors angesehen werden. Genauer gesagt handelt es sich um den NETD-Wert eines Wärmebildgeräts, der auf dem Papier gut aussieht. In der Realität führt die Verbesserung der NETD (d. h. die Verringerung des Wertes des Parameters) aufgrund der Bildfilterung zu einer Verringerung der räumlichen Auflösung des auf dem Bildschirm sichtbaren Bildes sowie zu einem Verlust von Bilddetails und einem geringen Informationswert.
Bei der Entwicklung von Sensoren und Wärmebildgeräten gibt es objektive Gesetze und Grenzen, die nicht umgangen werden können. Ein erstklassiges Wärmebildgerät kann nicht billig sein. Wenn Wärmebildgeräte, die in Bezug auf das angegebene Feld und die funktionalen Fähigkeiten ähnlich sind, einen signifikanten Preisunterschied aufweisen, dann ist es sehr wahrscheinlich, dass ein niedriger Preis bei einem günstigeren Gerät durch Kompromisse bei der Bildqualität erreicht wird. Dies sollte bei der Auswahl eines Wärmebildgerätes berücksichtigt werden.
Bevor Sie ein Nacht- oder Wärmebildgerät kaufen, vergewissern Sie sich bitte, dass Sie die örtliche Gesetzgebung einhalten und es nur verwenden, wenn es erlaubt ist. Unsere Botschafterinnen und Botschafter kommen aus verschiedenen Ländern und sind viel unterwegs, was ihnen die Möglichkeit gibt, verschiedene Geräte zu testen. Wir fördern oder unterstützen keinerlei gesetzwidrige Nutzung unserer Geräte irgendwelcher Art. Wenn Sie mehr über die Vorschriften bezüglich der Ausfuhr- und Verkaufsbeschränkungen erfahren möchten, besuchen Sie bitte den folgenden Link: Richtlinie für Export- und Verkaufsbeschränkungen.