L’anatomia di un sensore per l’immagine termica

La dimensione conta

L’utilizzatore medio valuta un dispositivo termico in base alla risoluzione del sensore, cioè dal numero di pixel verticali e orizzontali. Sebbene vi siano molti altri fattori che determinano la qualità di un’immagine termica, c’è una ragione che spiega questo atteggiamento: più elevato è il numero di pixel di un sensore, maggiori sono i dettagli dell’immagine generata dal dispositivo e visibili all’utente.

Cos’è la qualità dell’immagine termica?

La risoluzione di uno strumento di imaging termico è determinata dai parametri degli elementi ottici, da sensore, display, qualità del design e algoritmi di elaborazione del segnale. In questo articolo prenderemo in considerazione solamente l’effetto dei parametri del sensore sulla qualità dell’immagine termica. Per quel che concerne gli altri parametri, procederemo dall’assunto che siano ottimali.

La risoluzione di un dispositivo termico è un parametro complesso che consiste di risoluzione termica e spaziale.

La risoluzione spaziale è la capacità da parte di uno strumento di mostrare separatamente due punti o linee adiacenti. Maggiore è la risoluzione, più nitida risulta l’immagine agli occhi dell’osservatore. Dal punto di vista dell’utilizzatore, la risoluzione spaziale è il parametro più comprensibile e oggettivo per determinare la qualità dell’immagine di uno strumento.

La risoluzione termica (ossia la più piccola differenza di temperatura rilevabile), equivale al rapporto tra il segnale di un oggetto osservato e il segnale dello sfondo (background), tenendo in considerazione il segnale di disturbo del sensore termico. Un’elevata risoluzione termica significa che un dispositivo termico è in grado di rilevare un oggetto che possiede una data temperatura su uno sfondo che ha una temperatura simile. Maggiore è la risoluzione termica, minore è la differenza di temperatura tra oggetto e sfondo che viene rilevata.

La caratteristica più importante che condiziona la risoluzione termica di un dispositivo termico è il valore di NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) del sensore, misurato in millikelvin. Esso rappresenta la più piccola differenza di temperatura che può essere percepita dal sensore stesso. Questo parametro corrisponde a un rapporto segnale/rumore pari a uno; in altre parole, la variazione del segnale di uscita del sensore in presenza di una differenza di temperatura pari al valore di NETD corrisponde al livello di disturbo del sensore stesso. A un minor valore di NETD corrisponde una maggiore sensibilità del sensore.

Quando si tratta di scegliere uno strumento termico vengono valutati diversi elementi: ingrandimento di base, distanza di rilevamento, campo visivo, peso, dimensioni e prezzo. Tuttavia nemmeno le schede tecniche più dettagliate fornite dai produttori contengono la voce ‘Qualità dell’immagine’, e perfino dispositivi con caratteristiche analoghe mostrano in realtà risultati ben diversi tra di loro.

Confrontiamo due visori termici Pulsar: Axion 2 XG35 e Helion 2 XP50 Pro.

Questo è un buon esempio di dispositivi termici con prestazioni simili ma prezzo differente. Axion 2 XG35 e Helion 2 XP50 Pro hanno la medesima risoluzione spaziale del sensore con 640×480 pixel, un ingrandimento 2.5 – 20x, un campo visivo (12.5×9.4 e 12.4×9.3 gradi) e una distanza di rilevamento (1750 e 1800 metri) simili.

Qual è dunque il motivo di una differenza di prezzo del 30%? La risposta è nella qualità dell’immagine.

Come valutare la qualità dell’immagine termica

Se vi recate in un campo in una serata estiva con Axion 2 XG35 e Helion 2 XP50 Pro e osservate dall’oculare, solo un occhio esperto noterà la differenza nella qualità dell’immagine, dato che essi mostreranno un contrasto e un dettaglio dell’immagine molto simili.

Ma la caccia raramente si svolge in condizioni ideali e nell’orario migliore della giornata per l’utilizzo di un dispositivo termico. Il periodo di maggiore attività venatoria in Europa ricade in autunno e inverno, quando prevalgono condizioni di umidità con pioggia, nebbia e gelate notturne. La differenza di prezzo tra questi due prodotti diviene immediatamente comprensibile a fronte di queste realistiche situazioni ambientali.

Infatti in condizioni di basso contrasto termico l’immagine generata da Helion 2 XP50 Pro risulta più informativa rispetto a Axion 2 XG35. Qui non ci troviamo di fronte a una serie di istantanee con un numero limitato di tonalità tra il bianco e il nero, bensì a un’immagine ‘fotografica’ di contrasti con un’ampia gamma di semitoni e una resa altamente qualitativa dell’oggetto e dello sfondo. La miglior risoluzione termica di Helion 2 XP50 Pro deriva principalmente dalla sensibilità dovuta al valore di NETD del suo sensore; un buon valore di NETD è particolarmente importante in presenza di ambienti con basso contrasto termico, dove gli oggetti hanno approssimativamente la medesima temperatura, ad esempio in un paesaggio.

L’osservazione di scene con un basso contrasto termico dimostra chiaramente la congruenza tra la risoluzione termica e quella spaziale di un dispositivo termico. Apparentemente, in dispositivi con la stessa risoluzione del sensore (in questo caso entrambi hanno una risoluzione di 640×480 pixel), l’immagine visibile sul display dovrebbe essere ugualmente dettagliata.

In realtà non è così, infatti se il contrasto termico dell’ambiente è ridotto uno strumento termico con una risoluzione termica inferiore (maggior valore di NETD del sensore) mostrerà una peggior qualità dei dettagli. Aree con temperature simili ma diverse appariranno uguali sul display, così come avranno la stessa luminosità e contrasto nell’immagine a livello di raggruppamento di pixel. Tutto questo significa una minore risoluzione spaziale.

Pertanto la risoluzione spaziale dell’immagine visibile non è costante e può ridursi al calare del contrasto termico dell’ambiente osservato. Sembrerebbe un paradosso, ma i dispositivi di imaging termico con una minore risoluzione del sensore e una migliore sensibilità – ad esempio 384×288 pixel @ 17 µm / NETD < 25 mK – possono riprodurre ambienti a basso contrasto termico più dettagliatamente rispetto a strumenti con maggiore risoluzione ma sensibilità inferiore (ad esempio, 640×480 pixel @ 12 µm / NETD < 40 mK).

La sensibilità del sensore non influisce sulla distanza di rilevamento, che dipende dalla messa a fuoco della lente e dal pixel pitch del sensore. Nel nostro esempio, Helion 2 XP50 Pro e Axion 2 XG35 hanno la stessa distanza di rilevamento di un normale oggetto con un’altezza di 180 cm. Se tuttavia parliamo delle caratteristiche qualitative della distanza di rilevamento, e cioè la distanza di riconoscimento e di identificazione, con un calo del contrasto nella scena osservata (con pioggia, nebbia, foschia, aumento dell’umidità) l’immagine termica di Axion 2 XG35 peggiorerà molto più rapidamente.

Pixel più grandi, qualità superiore

Ritorniamo agli esempi. In tutti i casi considerati la miglior qualità dell’immagine è stata ottenuta con dispositivi dotati di sensore con NETD < 25 mK e un pixel pitch di 17 micron.

NETD del sensore

Più grande è il pixel e maggiore è la sua area, maggiore è anche la radiazione infrarossa a onde lunghe (LWIR) che è in grado di ricevere, e superiore la sensibilità del sensore di imaging termico. L’effetto della dimensione del sensore sul valore di NETD spiega le diverse prestazioni dei sensori al variare della dimensione dei pixel.

Questo si vede chiaramente nel nostro esempio: i sensori hanno la medesima risoluzione, 640×480 pixel, ma quello di Helion 2 XP50 Pro ha una dimensione dei pixel superiore (17 micron contro 12) e quindi una migliore sensibilità (NETD <25 mK contro NETD <40 mK).

Di conseguenza Helion 2 XP50 Pro è un dispositivo di livello professionale; acquistando questo strumento termico un cliente non paga solamente per la sua elevata qualità dell’immagine, ma anche per la rassicurazione che le sue prestazioni non verranno compromesse da variazioni delle condizioni meteorologiche durante una battuta di caccia.

Qualche parola anche a proposito dei vantaggi dei sensori con una ridotta dimensione dei pixel. Innanzitutto, valori analoghi di distanza di rilevamento, ingrandimento e campo visivo possono essere raggiunti utilizzando lenti con una messa a fuoco inferiore. Axion 2 XG35 lo dimostra.

Axion 2 XG35 e Helion 2 XP50 Pro offrono la stessa distanza di rilevamento, nonostante Axion utilizzi una lente con messa fuoco inferiore (F35/1.0) rispetto a Helion (F50/1.0), grazie ai pixel più piccoli del sensore di Axion. In situazioni di deterioramento del contrasto termico nell’ambiente osservato, Helion 2 XP50 Pro mostrerà però maggior efficacia grazie al sensore con il valore migliore di NETD.

In secondo luogo, a parità di risoluzione, un sensore con dimensioni più piccole dei pixel avrà una dimensione fisica inferiore, e di conseguenza il dispositivo che lo integra potrà essere più compatto.

Cosa c’è al di là dei numeri

Se confrontiamo un moderno sensore da 12 micron con uno di inizio secolo con pixel da 25 micron, il valore di NETD del primo sarà probabilmente migliore, dato che negli ultimi vent’anni c’è stato un notevole progresso nelle tecnologie di produzione dei sensori microbolometrici e nella qualità dei materiali.

Nei sensori moderni, maggiore è la dimensione dei pixel, maggiore è la sensibilità (valore di NETD inferiore). Questa è un’ovvietà; con gli stessi materiali è impossibile creare un sensore di imaging termico con una dimensione dei pixel inferiore, un prezzo più basso e migliore sensibilità.

Il valore di NETD del sensore è calcolato sulla base delle normative vigenti, che sono le medesime (o molto simili) per tutti i costruttori. Ma recentemente c’è stata una trasformazione del NETD da particolare caratteristica tecnica a strumento per pubblicizzare gli strumenti, il che non è sempre un atteggiamento responsabile.

I migliori sensori con pixel pitch da 17 micron raggiungono valori di NETD inferiori a 25 mK, mentre con un pixel pitch di 12 µm si raggiungono valori inferiori a 40 mK. All’interno di un lotto di produzione di sensori ve ne sono sempre alcuni con un valore di NETD più basso; questo significa che i costruttori possono assemblare un numero limitato di dispositivi di imaging termico altamente sensibili da utilizzare come campioni dimostrativi per il lancio sul mercato. Tuttavia questa sensibilità non può essere mantenuta su un intero lotto di produzione di dimensioni significative, ma in fase di promozione del prodotto e di preparazione di materiale informativo questa sensibilità sovrastimata viene dichiarata come valida per tutte le unità prodotte.

Quando si tratta di indicare le specifiche tecniche nella scheda di un dispositivo, alcuni produttori prendono a riferimento i parametri indicati dalle aziende leader di mercato e riportano i dati che i potenziali clienti vogliono vedere. Il risultato è che oggi si possono trovare sul mercato strumenti con valori di NETD inferiori a 25 mK per sensori con pixel da 12 micron (ad esempio per sensori 640×512 @12µm), che semplicemente non è vero.

Alcuni costruttori prendono poi in considerazione e utilizzano la post-elaborazione del segnale, come il filtraggio dell’immagine, per migliorare il valore di NETD, ma il risultato ottenuto in questo modo non può essere considerato il valore di NETD del sensore. Più precisamente, questo è il NETD di un dispositivo di imaging termico e sulla carta pare un’ottima cosa, ma in realtà il miglioramento del NETD (ossia la riduzione del valore di questo parametro) a seguito del filtraggio dell’immagine porta a una riduzione della risoluzione spaziale dell’immagine visibile sul display, oltre a un’immagine meno dettagliata e a un minor valore informativo.

Nello sviluppo di sensori e dispositivi termici queste sono leggi e limiti oggettivi che non possono essere scavalcati. Un dispositivo di imaging termico di elevata qualità non può essere a buon mercato. Se strumenti che vengono dichiarati simili per quanto riguarda le prestazioni e le funzionalità hanno prezzi molto differenti, è estremamente probabile che un basso prezzo sia stato ottenuto solo grazie a un compromesso in termini di qualità dell’immagine. Tutto ciò dovrebbe essere tenuto ben presente al momento di scegliere un dispositivo di imaging termico.

Prima di acquistare un dispositivo notturno o termico, assicuratevi di essere in regola con le normative locali e utilizzatelo solamente quando ciò è consentito. I nostri Ambassador provengono da diversi Paesi e viaggiano molto, avendo così la possibilità di testare diversi prodotti. In nessuna circostanza appoggiamo o promuoviamo l’utilizzo illegale dei nostri dispositivi. Se desiderate avere maggiori informazioni in merito alle restrizioni all’esportazione e alla vendita, visitate la pagina a questo link: Politica di restrizioni all’esportazione e alla vendita.