Anatomia sensora termowizyjnego

Rozmiar ma znaczenie

Przeciętny użytkownik określa klasę urządzenia termowizyjnego na podstawie rozdzielczości sensora, tj. liczby pikseli w poziomie i w pionie. Choć na jakość obrazu termowizyjnego wpływa znacznie więcej czynników, jest ku temu powód – im więcej pikseli ma sensor, tym więcej szczegółów obserwowanego obrazu może „pokazać” użytkownikowi.

Czym jest jakość obrazu termowizyjnego

Rozdzielczość urządzenia termowizyjnego zależy od parametrów elementów optycznych, sensora, wyświetlacza, jakości projektu, a także algorytmów przetwarzania sygnału. W tym artykule zajmiemy się wyłącznie wpływem parametrów sensora na jakość obrazu termowizyjnego. Jeśli chodzi o pozostałe parametry, przyjmijmy założenie, że zastosowano najbardziej optymalne rozwiązania.

Rozdzielczość urządzenia termowizyjnego jest złożonym parametrem, na który składa się rozdzielczość termiczna i przestrzenna.

Rozdzielczość przestrzenna oznacza zdolność urządzenia termowizyjnego do oddzielnego pokazania dwóch znajdujących się blisko siebie kropek lub linii. Im wyższa rozdzielczość, tym wyraźniejszy obraz widzi użytkownik. Z punktu widzenia użytkownika rozdzielczość przestrzenna jest najbardziej zrozumiałym i obiektywnym parametrem określającym jakość obrazu termowizyjnego.

Rozdzielczość termiczna (minimalna wykrywalna różnica temperatur) to graniczny stosunek sygnału obserwowanego obiektu do sygnału tła, z uwzględnieniem szumu sensora termowizyjnego. Wysoka rozdzielczość termiczna oznacza, że urządzenie termowizyjne może wykryć obiekt o określonej temperaturze na tle o podobnej temperaturze. Im mniejsza jest różnica między temperaturami obiektu i tła, które może zarejestrować urządzenie termowizyjne, tym wyższa rozdzielczość termiczna.

Najważniejszą cechą mającą wpływ na rozdzielczość termiczną urządzenia termowizyjnego jest czułość termiczna NETD (ang. Noise Equivalent Temperature Difference) sensora. Mierzy się ją w milikelwinach. Czułość termiczna NETD sensora to parametr określający najmniejszą różnicę temperatur, jaką może wykryć sensor. Parametr ten odpowiada stosunkowi sygnału do szumu równemu jeden. Innymi słowy zmiana sygnału wyjściowego sensora przy różnicy temperatur równej wartości NETD odpowiada poziomowi szumu sensora. Im niższa wartość NETD, tym wyższa czułość sensora.

Przy wyborze urządzenia termowizyjnego klienci biorą pod uwagę różne czynniki, takie jak powiększenie bazowe, zasięg detekcji, pole widzenia, ciężar, rozmiar lub cena. Jednak nawet najbardziej szczegółowe dane techniczne podawane przez producentów urządzeń termowizyjnych nie zawierają pozycji „jakość obrazu”. Jednocześnie nawet urządzenia o podobnych parametrach użytkowych w rzeczywistości wykazują zauważalnie różnice.

Porównajmy dwa termowizory marki Pulsar: Axion 2 XG35 i Helion 2 XP50 Pro.

To dobry przykład urządzeń termowizyjnych o podobnych walorach użytkowych, ale dostępnych w różnej cenie. Axion 2 XG35 i Helion 2 XP50 Pro mają taką samą rozdzielczość przestrzenną sensora (640 x 480 pikseli), powiększenie (2,5-20x), a także podobne pola widzenia (12,5 x 9,4 i 12,4 x 9,3 stopnia) i zasięg detekcji (1750 i 1800 metrów).

Skąd więc różnica w cenie wynosząca ok. 30%? Wynika ona z jakości obrazu.

Jak ocenić jakość obrazu termowizyjnego

Jeśli w letni wieczór wyjdziemy z Axionem 2 XG35 i Helionem 2 XP50 Pro w teren i spojrzymy przez okular, tylko wprawne oko zauważy różnicę w jakości obrazu. Oba urządzenia będą pokazywać mniej więcej jednakowo kontrastowy i szczegółowy obraz.

Jednak polowania rzadko odbywają się w idealnych warunkach i porze dnia idealnej dla działania urządzenia termowizyjnego. Sezon aktywnych polowań w Europie przypada na jesień i zimę, tj. okres wilgotnej pogody z deszczem, mgłą i nocnymi przymrozkami. W takich warunkach różnica w cenie wyraźnie przekłada się na działanie urządzenia.

W warunkach niskiego kontrastu termicznego obraz zapewniany przez termowizor Helion 2 XP50 Pro dostarcza więcej informacji niż ten, który wyświetla Axion 2 XG35. Nie jest to szereg plamek z ograniczoną liczbą odcieni między czernią i bielą, lecz „fotograficzny”, kontrastowy obraz o dużej rozpiętości półcieni i wysokiej jakości odwzorowania celu i tła. Lepsza rozdzielczość termiczna termowizora Helion 2 XP50 Pro wynika przede wszystkim z czułości NETD sensora. Dobra czułość NETD jest szczególnie ważna w przypadku scen o niskim kontraście termicznym, gdy obiekty mają mniej więcej taką samą temperaturę. Przykładem są krajobrazy.

Obserwacja nisko kontrastowych scen termicznych wyraźnie pokazuje, czy występuje spójność między rozdzielczością termiczną a rozdzielczością przestrzenną urządzenia termowizyjnego. Mogłoby się wydawać, że w urządzeniach o tej samej rozdzielczości sensora (w naszym przypadku oba sensory mają rozdzielczość 640 x 480 pikseli) obraz widoczny na wyświetlaczu będzie równie szczegółowy.

Ale tak nie jest. Jeśli kontrast termiczny sceny jest niski, urządzenie termowizyjne o niższej rozdzielczości termicznej (wyższa wartość NETD sensora) będzie gorzej rozróżniać szczegóły. Obszary o podobnej, choć różnej temperaturze zostaną pokazane na wyświetlaczu jako jednakowe, a także będą miały taką samą jasność i kontrast na obrazie grupy pikseli. W rzeczywistości oznacza to mniejszą rozdzielczość przestrzenną.

Tym samym rozdzielczość przestrzenna widocznego obrazu nie jest stała i może zmniejszać się wraz ze spadkiem kontrastu termicznego obserwowanej sceny. Paradoksalnie urządzenia termowizyjne o niższej rozdzielczości sensora i lepszej czułości (np. 384 x 288 pikseli w rozstawie17 µm / NETD < 25 mK) mogą wyświetlać sceny o niskim kontraście bardziej szczegółowo niż te o wyższej rozdzielczości, ale niższej czułości (np. 640 x 480 pikseli w rozstawie 12 µm / NETD < 40 mK).

Czułość sensora nie wpływa na zasięg detekcji (zależy ona od ogniskowej obiektywu i rozstawu pikseli sensora). W naszym przykładzie Helion 2 XP50 Pro i Axion 2 XG35 mają taki sam zasięg detekcji standardowego obiektu o wysokości 1,8 m. Jeśli jednak mówimy o jakościowej charakterystyce zasięgu obserwacji, tj. odległości rozpoznawania i identyfikacji, to przy spadku kontrastu sceny (z powodu mgły, deszczu, mżawki, zwiększonej wilgotności itp.) termowizor Axion 2 XG35 traci dystans zauważalnie szybciej.

Większy piksel, lepsza jakość

Wróćmy do przykładów. W każdym z rozważanych przypadków najlepszą jakość obrazu zapewniają urządzenia z sensorem o czułości termicznej NETD < 25 mK (w obu sensorach rozstaw pikseli wynosi 17 mikronów).

Czułość NETD sensora

Im większy jest piksel, a tym samym jego powierzchnia, tym więcej promieniowania LWIR jest w stanie odebrać sensor i tym wyższa jest jego czułość. Wpływ wielkości sensora na czułość termiczną NETD leży u podstaw samej idei sensorów o takim czy innym rozmiarze piksela.

Widać to wyraźnie na naszym przykładzie. Sensory mają tę samą rozdzielczość (640 x 480 pikseli), ale sensor termowizora Helion 2 XP50 Pro ma większy rozmiar piksela (17 mikronów wobec 12 mikronów) i co za tym idzie – lepszą czułość (NETD < 25 mK wobec NETD < 40 mK).

W efekcie Helion 2 XP50 Pro jest urządzeniem klasy profesjonalnej. Kupując takie urządzenie termowizyjne, klient płaci nie tylko za najwyższą jakość obrazu, ale także za pewność, że urządzenie poradzi sobie z wszelkimi niespodziankami, jakie może przynieść pogoda podczas polowania.

A teraz kilka słów o zaletach sensorów o małym rozmiarze piksela. Po pierwsze, w przypadku urządzeń termowizyjnych z sensorem o mniejszym rozmiarze piksela takie same parametry zasięgu detekcji, powiększenia i pole widzenia można uzyskać przy użyciu obiektywów o mniejszej ogniskowej. Przykładem jest Axion 2 XG35.

W parze Axion 2 XG35 i Helion 2 XP50 Pro oba urządzenia mają ten sam zasięg detekcji. Axion ma obiektyw o mniejszej ogniskowej (F35/1.0), Helion – o większej ogniskowej (F50/1.0), ale zasięg detekcji urządzeń jest taki sam ze względu na mniejszy rozmiar piksela w sensorze termowizora Axion. W idealnych warunkach, przy pogorszeniu kontrastu termicznego w miejscu obserwacji, termowizor Helion 2 XP50 Pro będzie zapewniał lepszy obraz jako urządzenie z sensorem o najlepszej czułości NETD.

Po drugie, przy tej samej rozdzielczości sensor o mniejszym rozmiarze piksela ma mniejsze wymiary fizyczne. Dzięki temu wykorzystujące go urządzenie może być bardziej kompaktowe.

Co kryje się za liczbami

Jeśli porównamy nowoczesny sensor 12-mikronowy z sensorem z początku XXI w. o pikselu wielkości 25 mikronów, to czułość NETD pierwszego z nich będzie prawdopodobnie wyższa, ponieważ w ciągu ostatnich 20 lat dokonał się znaczący postęp w rozwoju technologii produkcji sensorów mikrobolometrycznych i jakości stosowanych materiałów.

W nowoczesnych sensorach im większy jest rozmiar piksela, tym wyższa jest czułość (wskaźnik NETD jest niższy). To pewien rodzaj aksjomatu – z tych samych materiałów nie da się stworzyć sensora termowizyjnego o mniejszym rozmiarze piksela, niższej cenie i jednocześnie lepszej czułości.

Czułość termiczną NETD sensora mierzy się zgodnie z przepisami, które są takie same lub podobne dla wszystkich producentów. Jednak w ostatnim czasie wskaźnik NETD, który dotąd traktowano jako specjalny parametr techniczny, stał się popularnym narzędziem do nie zawsze rzetelnej promocji urządzeń.

Obecnie najlepsze partie produkcyjne sensorów o rozstawie pikseli 17 µm osiągają wartość NETD poniżej 25 mK, a przy rozstawie pikseli 12 µm – poniżej 40 mK. Jednocześnie w danej partii zawsze znajduje się pewna liczba sensorów o niższej wartości NETD. Oznacza to, że producenci mogą zbudować niewielką liczbę urządzeń termowizyjnych o wysokiej czułości, które są wykorzystywane jako urządzenia demonstracyjne przy wprowadzeniu na rynek. Jednak takiej czułości nie da się utrzymać przy wytwarzaniu dużych partii produkcyjnych urządzeń. Jednocześnie w reklamach i materiałach informacyjnych o produkcie deklarowana jest przeszacowana czułość dla całego cyklu życia produktu.

Tworząc specyfikacje techniczne do certyfikatów urządzeń, niektórzy producenci kierują się parametrami najlepszych urządzeń na rynku i podają liczby, które chciałby zobaczyć potencjalny klient. W efekcie można dziś znaleźć na rynku urządzenia o wartości NETD poniżej 25 mK zadeklarowanej dla sensorów z pikselem o wielkości 12 mikronów (np. dla sensora o rozdzielczości 640 x 512 pikseli w rozstawie 12 µm), co nie może być prawdą.

W celu poprawy wartości NETD niektórzy producenci stosują i uwzględniają działanie funkcji przetwarzania sygnału, takich jak filtrowanie obrazu. Uzyskany w ten sposób wynik nie może być traktowany jako wartość czułości NETD sensora. Mówiąc precyzyjnie, jest to wartość NETD urządzenia termowizyjnego i ładnie wygląda na papierze. W rzeczywistości poprawa czułości NETD (tj. zmniejszenie wartości parametru) poprzez filtrowanie obrazu prowadzi do zmniejszenia rozdzielczości przestrzennej obrazu widocznego na wyświetlaczu, a także do utraty jego szczegółowości i w efekcie niskiej wartości informacyjnej.

Rozwój sensorów i urządzeń termowizyjnych podlega obiektywnym prawom i ograniczeniom, których nie można ominąć. Wysokiej klasy urządzenie termowizyjne nie może być tanie. Jeżeli urządzenia termowizyjne podobne pod względem deklarowanego pola widzenia i możliwości funkcjonalnych różnią się znacząco ceną, zachodzi duże prawdopodobieństwo, że niższą cenę jednego z urządzeń uzyskano dzięki kompromisom w zakresie jakości obrazu. Należy o tym pamiętać przy wyborze urządzenia termowizyjnego.

Przed zakupem jakiegokolwiek urządzenia noktowizyjnego lub termowizyjnego upewnij się, że jest to zgodne z lokalnymi przepisami i używaj go tylko wtedy, gdy jest to dozwolone. Ambasadorzy naszej marki pochodzą z różnych krajów i dużo podróżują, co pozwala im testować różne urządzenia. W żadnym przypadku nie zachęcamy do nielegalnego korzystania z naszych urządzeń ani nie popieramy takiego postępowania. Więcej informacji na temat ograniczeń dotyczących eksportu i sprzedaży jest dostępnych na stronie: Export and Sales Restriction Policy.