Numatoma skaitymo trukmė: 9 min.
Daugybė žmonių susiduria su dilema, kaip pasirinkti termovizinį jutiklį (dar vadinamą mikrobalometru) su tokiu atstumu tarp gretimų pikselių centrų, kad jis geriausiai atitiktų jų poreikius. Ar tai turėtų būti 12, ar 17 mikronų? Kitaip tariant, ar dydis iš tiesų svarbus? Paprasčiausias atsakymas – taip. Bet svarbu žinoti ir tai, kad atstumas tarp gretimų pikselių centrų daro tiesioginę įtaką baziniam priartinimui, vaizdo kokybei bei termovizoriaus jautrumui. Visgi kalbant apie jutiklio pasirinkimą, girdime įvairiausių nuomonių bei įsitikinimų, kurie neretai būna klaidingi. Kad jų išvengtume, šiuo straipsniu bandysime paaiškinti viską, ką svarbu žinoti apie termovizinius jutiklius.
Dydis svarbu
Dauguma naudotojų termovizinio prietaiso klasę vertina pagal jutiklio rezoliuciją arba, kitaip tariant, pikselių skaičių horizontaliai ir vertikaliai. Nors termovizinio vaizdo kokybei įtaką daro ir daug kitų faktorių, rezoliucija, dar vadinama skiriamąja geba, yra svarbi – kuo daugiau pikselių yra jutiklyje, tuo daugiau stebimo vaizdo detalių jis atvaizduoja.
Kas sudaro terminio vaizdo kokybę
Termovizinio prietaiso kokybę apibrėžia optinių elementų parametrai, jutiklis, ekranas, dizaino koncepto kokybė, taip pat ir signalų apdirbimo algoritmai. Šiame straipsnyje aptarsime tik jutiklio parametrų įtaką termovizoriaus kokybės įtakai. Tačiau galime užtrikinti, kad kiti elementai „Pulsar“ termovizoriuose yra optimalūs ir patikimi.
Termovizinio prietaiso rezoliucija yra kompleksinis parametras, kurį sudaro termovizinė ir erdvinė skiriamoji geba.
Erdvinė skiriamoji geba apibrėžia termovizinio prietaiso gebėjimą atskirai atvaizduoti du šalia vienas kito esančius taškus ar linijas. Kuo aukštesnė rezoliucija, tuo aiškesnis vaizdas rodomas naudotojui. Iš jo perspektyvos, erdvinė skiriamoji geba yra suprantamiausias ir objektyviausias parametras vertinant termovizinio prietaiso vaizdo kokybę.
Šiluminė rezoliucija (mažiausias aptinkamas temperatūrų skirtumas) yra stebimo objekto ir fono signalo ribinis santykis, atsižvelgiant į termovizinio jutiklio triukšmą. Aukšta šiluminė skiriamoji geba reiškia, kad termovizinis prietaisas gali aptikti tam tikros temperatūros objektą ir tada, kai fonas yra panašios temperatūros. Kuo mažesnis skirtumas tarp fono ir objekto temperatūrų, užfiksuojamų termovizinio prietaiso, tuo aukštesnė yra šiluminė skiriamoji geba.
Svarbiausia savybė, kuri daro įtaką termovizinei šiluminei rezoliucijai, yra jutiklio NETD (Noise Equivalent Temperature Difference, triukšmo ekvivalento temperatūros skirtumas). Jis matuojamas milikelvinais. Jutiklio NETD – tai parametras, nurodantis mažiausią temperatūrų skirtumą, kurį gali užfiksuoti jutiklis. Šis parametras atitinka signalo ir triukšmo santykį, kai šis lygus vienetui. Kitaip tariant, jutiklio išvesties signalo pokytis esant temperatūrų skirtumui, lygiam NETD, atitinka jutiklio triukšmo lygį. Kuo mažesnė NETD reikšmė, tuo aukštesnis yra jutiklio jautrumas.
Pasirinkdami termovizinį prietaisą, mūsų klientai atsižvelgia į skirtingus argumentus: pagrindinį priartinimą, aptikimo nuotolį, matymo lauką, svorį, dydį, kainą. Tačiau net ir pačiame detaliausiame techniniame prietaiso aprašyme nerasime punkto „vaizdo kokybė“. Ir vis dėlto, net prietaisai su, rodos, tokiomis pačiomis savybėmis „popieriuje“, realybėje gali rodyti labai skirtingus rezultatus.
Palyginkime du „Pulsar“ termovizorius: „Axion 2 XG35“ ir „Helion 2 XP50 Pro“.
Tai – puikus pavyzdys, kai termoviziniai prietaisai su panašiomis eksploatacinėmis savybėmis kainuoja labai skirtingai. „Axion 2 XG35“ ir „Helion 2 XP50 Pro“ prietaisuose sutampa ir erdvinė skiriamoji geba (640×480), ir priartinimas (2.5 – 20x), o matymo laukai (12.5×9.4 ir 12.4×9.3 laipsnių) bei aptikimo nuotoliai (1750 ir 1800 metrų) yra labai panašūs.
Bet dėl kokios priežasties jų kainos skiriasi 30 %? Atsakymas paprastas – dėl skirtingos vaizdo kokybės.
Termovizinės kokybės įvertinimas
Jei pasiimsite „Axion 2 XG35“ ir „Helion 2 XP50 Pro“ ir išeisite į gamtą su jais gražų vasaros vakarą, tik būdami itin patyrę ekspertai galėsite pamatyti vaizdo kokybės skirtumą žvelgiant per okuliarą – abu prietaisai parodys panašiai kontrastingą ir detalų vaizdą.
Vis dėlto, medžioklė retai vyksta idealiomis sąlygomis ir idealiu termovizoriui paros metu. Europoje intensyviausi medžioklės sezonai yra ruduo ir žiema – laikas, kai ore daug drėgmės, dažnai lyja, šąla, o rūkas tampa itin dažnu reiškiniu. Ir tokiose, realistiškesnėse sąlygose, aiškiau pasimato ir kainos skirtumo priežastis.
Esant mažam šiluminiam kontrastui, „Helion 2 XP50 Pro“ sugeneruojamas vaizdas bus daug informatyvesnis nei „Axion 2 XG35“. Vietoje krūvos taškelių, turinčių tik kelis juodos ir baltos atspalvius, gausite fotografiškai kontrastingą vaizdą su daugybe pustonių ir aiškiu taikinio bei fono atvaizdavimu. Puikią termovizinę „Helion 2 XP50 Pro“ raišką visų pirma užtikrina jutiklio NETD jautrumas. Žemas NETD yra ypač svarbus situacijose, kai šiluminis kontrastas mažas, o skirtingai objektai atvėsta iki panašios temperatūros. Tokios situacijos pavyzdys – kraštovaizdžio stebėjimas drėgną rudens vakarą.
Žemo šiluminio kontrasto scenų stebėjimas aiškiai parodo sąsajas tarp prietaiso termovizinės ir erdvinės skiriamosios gebos. Atrodo logiška, kad prietaisai su vienodos rezoliucijos jutikliais (mūsų atveju, abu jutikliai yra 640×480 pikselių rezoliucijos) ekrane turėtų atvaizduoti vienodai detalų vaizdą.
Tačiau taip nėra. Jei stebimo vaizdo šiluminis kontrastas yra žemas, termovizinis prietaisas su žemesne šilumine skiriamąja geba (aukštesne jutiklio NETD reikšme) daug prasčiau atvaizduos skirtingas detales. Zonos su panašia temperatūra ekrane bus rodomos kaip vienodos, be to, bus tokio paties šviesumo ir kontrasto kaip ir visa pikselių grupė. Tai reiškia mažesnę erdvinę skiriamąją gebą.
Erdvinė matomo vaizdo skiriamoji geba nėra pastovi ir gali suprastėti sumažėjus stebimo vaizdo šiluminiam kontrastui. Skamba paradoksaliai, tačiau termoviziniai prietaisai su mažesne jutiklio rezoliucija ir didesniu jautrumu (pvz., 384×288 pikselių @ 17 µm / NETD < 25 mK) mažo kontrastingumo vaizdus gali atvaizduoti detaliau nei termoviziniai prietaisai su aukštesne rezoliucija, bet mažesniu jautrumu (pvz., 640×480 pikselių @ 12 µm / NETD < 40 mK).
Jutiklio jautrumas neturi įtakos aptikimo nuotoliui (jis priklauso nuo objektyvo židinio nuotolio ir atstumo tarp gretimų jutiklio pikselių centrų). Mūsų pavyzdyje, „Helion 2 XP50 Pro“ ir „Axion 2 XG35“ pasižymi tuo pačiu standartinio, 1.8 m aukščio objekto, aptikimo nuotoliu. Tačiau, jei kalbame apie stebimo vaizdo kokybines savybes, tiksliau – atpažinimo ir identifikavimo atstumą, sumažėjus vaizdo kontrastingumui (esant rūkui, lietui, dulksnai, padidėjusiam drėgnumui), „Axion 2 XG35“ termovizorius kovą greitai „pralaimės“.
Didesni pikseliai, geresnė kokybė
Grįžkime prie pavyzdžių. Visais aptartais atvejais, geriausią vaizdo kokybę demonstruoja prietaisai, kurių jutiklis turi NETD <25 mK, ir atstumas tarp abiejų šių jutiklių gretimų pikselių centrų yra 17 mikronų.
Jutiklio NETD
Kuo didesnis pikselis ir jo plotas, tuo daugiau ilgabangių infraraudonųjų spindulių (LWIR) spinduliuotės jis geba priimti, taigi tuo jautresnis yra ir pats termovizinis jutiklis. Jutiklio dydžio įtaka NETD remiasi esminiai jutiklių su vienokio ar kitokio dydžio pikseliais gamybos principai.
Mūsų pavyzdyje tai – akivaizdu. Jutikliai yra tos pačios rezoliucijos, 640×480 pikselių, bet „Helion 2 XP50 Pro“ termovizoriaus jutiklio pikseliai yra didesni (17 mikronų prieš 12 mikronų), didesnis ir jutiklio jautrumas (NETD <25 mK prieš NETD <40 mK).
Dėl to „Helion 2 XP50 Pro“ yra laikomas profesionalaus naudojimo prietaisu. Įsigydamas šį termovizorių, pirkėjas moka ne tik už aukščiausią vaizdo kokybę, bet ir ramybę žinodamas, kad šis prietaisas atlaikys bet kokias oro krečiamas staigmenas medžioklės metu.
Vis dėlto, mažesnis jutiklio pikselių dydis irgi turi savų privalumų. Pirmiausiai, kai termovizorius turi sensorių, kurio pikselių dydis yra mažesnis, tokį patį aptikimo nuotolį, priartinimą ir matymo lauką galima išgauti su mažesnio židinio nuotolio objektyvu. Tai puikiai matosi „Axion 2 XG35“.
Kai kalbame apie „Axion 2 XG35“ ir „Helion 2 XP50 Pro“ porą, abu prietaisai pasižymi vienodu aptikimo nuotoliu. Tačiau „Axion“ objektyvo židinio nuotolis yra mažesnis (F35/1.0) nei „Helion“ (F50/1.0), o abiejų prietaisų aptikimo nuotolis yra toks pats dėl mažesnių „Axion“ jutiklio pikselių. Esant ne idealioms sąlygoms ir prastėjančiam šiluminiam kontrastui stebėjimo metu, „Helion 2 XP50 Pro“ pademonstruos geresnius rezultatus kaip prietaisas, kurio jutiklis turi geresnį NETD.
Taip pat verta pastebėti ir tai, kad, kai jutiklių rezoliucija sutampa, bet vienas iš jų turi mažesnius pikselius, mažesnis ir bus paties jutiklio dydis. O tai leidžia sukurti kompaktiškesnį prietaisą.
Kas slypi už skaičių?
Jei palygintume modernų 12 mikronų jutiklį su XXI a. pradžioje gamintais 25 mikronų jutikliais, pastarojo NETD būtų gerokai aukštesnis, kadangi per pastaruosius 20 metų smarkiai patobulėjo mikrobolometrinių sensorių gaminimo technologijos ir naudojamų medžiagų kokybė.
Moderniuose sensoriuose didesnis pikselio dydis reiškia didesnį jautrumą (žemesnį NETD indeksą). Čia turime paradoksą – naudodami tas pačias medžiagas, negalime sukurti termovizinio jutiklio su mažesniais pikseliais, mažesne kaina ir, kartu, didesniu jautrumu.
Jutiklio NETD matuojamas atsižvelgiant į reglamentą, kuris yra toks pats arba panašus visiems gamintojams. Visgi neseniai pastebėjome, kad NETD imtas naudoti ne kaip konkreti techninė savybė, bet kaip populiarus įrankis reklamuoti prietaisams, nors tai toli gražu ne visada yra sąžininga.
Kodėl? Gaminant 17 µm jutiklių partiją, geriausiems pavyks pasiekti mažesnį nei 25 mK NETD. Gaminant 12 µm – mažesnį nei 40 mK. Tačiau tuo pačiu metu, toje pačioje partijoje pasitaikys ir jutiklių su dar žemesniu NETD. Tai reiškia, kad gamintojai gali sukurti nedidelį kiekį itin jautrių termovizinių prietaisų, naudojamų demonstracijai ir reklamai tuos prietaisus pristatant. Tačiau tokio aukšto jautrumo lygio išlaikyti gaminant didelius prietaisų kiekius neįmanoma. Tuo pačiu metu, reklaminėje ir informacinėje medžiagoje apie produktą pateikiamas pervertintas jautrumas, kuris žadamas visam prietaiso naudojimo laikui.
Įdomu ir tai, kad, rašydami technines specifikacijas į prietaiso sertifikatą, kai kurie gamintojai remiasi rinkos lyderių pasiekiamais parametrais ir dalijasi tokiais skaičiais, kokius matyti norėtų potencialus klientas. Dėl to šiandien galime rasti prietaisų, kurių NETD yra mažesnis nei 25 mK, bet atstumas tarp dviejų gretimų jutiklio pikselių centrų yra vos 12 mikronų (pvz., 640×512 @12µm jutiklis), kas tiesiog negali būti tiesa.
Kai kurie gamintojai naudoja ir atsižvelgia į signalų apdirbimą, pavyzdžiui, įvairius vaizdo filtrus, kad padidintų NETD vertę. Tokiu būdu pasiektas rezultatas negali būti laikomas tikrąja jutiklio NETD verte. Tiksliau būtų sakyti, kad tai prietaiso NETD vertė, kuri, užrašyta, atrodo labai gražiai. Realybėje, NETD gerinimas (t.y., parametro reikšmės mažinimas) vaizdo filtrų pagalba reiškia sumažėjusią ekrane matomo vaizdo erdvinę rezoliuciją, taip pat vaizdo detalumo praradimą ir žemą jo informacinę vertę.
Gaminant jutiklius ir termovizinius prietaisus, susiduriame su tam tikrais dėsniais ir apribojimais, kurių negalime išvengti. Aukščiausios kokybės termovizinis prietaisas negali būti pigus. Jei du termoviziniai prietaisai atrodo itin panašūs savo funkcinėmis ir eksploatacinėmis savybėmis, bet jų kaina reikšmingai skiriasi, yra didelė tikimybė, kad mažesnė prieinamesnio prietaiso kaina buvo pasiekta vaizdo kokybės sąskaita. Renkantis termovizinį prietaisą, tai turėti omenyje labai svarbu.
Prieš įsigydami bet kokį naktinio ar termovizinio matymo prietaisą, įsitikinkite, kad jo naudojimas yra leidžiamas vietos įstatymų. Mūsų ambasadoriai gyvena skirtingose šalyse ir nuolat keliauja – būtent tai leidžia jiems legaliai testuoti skirtingus prietaisus. Mes jokiu būdu neskatiname ir nepalaikome mūsų gamintų prietaisų naudojimo tada, kai tai draudžia įstatymai ar kiti teisiniai aktai. Jei norėtumėte sužinoti daugiau apie eksporto ir pardavimų ribojimo politiką, kviečiame jus paspausti nuorodą, kur rasite daugiau informacijos: Eksporto ir pardavimų ribojimo politika.