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Perché le termocamere hanno una risoluzione così bassa?

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Le telecamere termiche hanno spesso un numero inferiore di pixel nativi rispetto alle telecamere per la luce visibile, poiché ogni pixel a infrarossi fa parte di un sistema specializzato che combina il rilevatore, l'ottica, l'elettronica di lettura, l'involucro e la calibrazione. Riducendo le dimensioni dei pixel o aggiungendone altri

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Le termocamere hanno spesso un numero di pixel nativi inferiore rispetto alle telecamere a luce visibile, poiché ogni pixel a infrarossi fa parte di un sistema specializzato che combina il rilevatore, l’ottica, l’elettronica di lettura, l’involucro e la calibrazione. È possibile ridurre le dimensioni dei pixel o aumentarne il numero, ma ciò modifica il modo in cui il rilevatore assorbe il calore, gestisce il rumore, trasferisce i dati e interagisce con l’obiettivo. Il limite pratico è quindi un compromesso tra sistema e costi, non una regola secondo cui le termocamere debbano necessariamente avere una bassa risoluzione.

Inoltre, la risoluzione non è l’unico fattore determinante per la qualità dell’immagine. Un rilevatore da 640×512 può risultare più utile di un’immagine elaborata di dimensioni maggiori se l’obiettivo, la messa a fuoco, il campo visivo, la distanza, le dimensioni del bersaglio e il contrasto termico sono adeguati all’attività da svolgere. Iniziate verificando il formato nativo del rilevatore, quindi valutate la configurazione completa della termocamera.

Verificare a quale risoluzione si riferisce la specifica
La risoluzione nativa del rilevatore si riferisce al numero di elementi sensibili disposti in righe e colonne nell’array a infrarossi. La risoluzione dello schermo, le dimensioni delle immagini salvate, lo zoom digitale, le sovrapposizioni di immagini visibili e il miglioramento algoritmico possono utilizzare valori diversi.

Specifiche Cosa descrive Aggiunge dettagli reali nell’infrarosso?
Risoluzione nativa del rilevatore Matrice fisica di rilevamento a infrarossi Sì — definisce i dati infrarossi originali disponibili
Risoluzione di visualizzazione Pixel sullo schermo della telecamera No — influisce solo sul modo in cui l’immagine viene visualizzata
Dimensioni dell’immagine o del video salvato Dimensioni del file esportato Non necessariamente — può essere ridimensionato o elaborato
Zoom digitale Ingrandimento o ritaglio dell’immagine No — non aggiunge nuove informazioni a infrarossi
Fusione con immagini nel visibile Dati termici combinati con dettagli della luce visibile No — aggiunge contesto visivo, non dettagli a infrarossi
Super-risoluzione: output elaborato derivato da un input nativo No — migliora l’output, non i campioni del rilevatore
Per vedere come queste specifiche differiscono in un prodotto reale, si consideri la termocamera EX10 di Raythink. Le sue specifiche indicano un rilevatore a infrarossi da 160 × 120 separatamente da un’uscita a super-risoluzione da 320 × 240. Ciò significa che la termocamera utilizza un rilevatore a infrarossi nativo da 160 × 120 e applica un’elaborazione dell’immagine per produrre un’uscita più grande da 320 × 240. L’immagine migliorata può apparire più nitida o più dettagliata, ma ciò non significa che la termocamera contenga un rilevatore a infrarossi fisico da 320 × 240.

Termocamera portatile EX10
Questa distinzione aiuta a evitare un errore comune di confronto: considerare un display più grande, un file salvato o un’immagine elaborata come prova della presenza di un sensore a infrarossi a risoluzione più elevata.

I pixel dei rilevatori termici sono difficili da ridurre
Molte termocamere non raffreddate utilizzano array di microbolometri. Ogni pixel assorbe energia infrarossa, cambia temperatura e produce un segnale elettrico. La struttura di assorbimento, l’isolamento termico, il tempo di risposta, il fattore di riempimento, il rumore e il circuito di lettura devono funzionare in sinergia.

Quando gli ingegneri riducono il passo dei pixel, non si limitano a rimpicciolire un quadrato su un disegno. La struttura più piccola deve comunque assorbire energia utile, rimanere isolata termicamente, rispondere a una velocità adeguata e fornire un segnale che il circuito di lettura possa misurare. Migliorare una parte può influire su un’altra, quindi il passo dei pixel non può essere separato dal materiale del rilevatore, dall’architettura, dal processo di fabbricazione e dall’elettronica.

La ricerca sui progetti di microbolometri dimostra che la riduzione del passo dei pixel richiede un bilanciamento di fattori quali l’isolamento termico, la velocità di risposta, il fattore di riempimento e l’architettura di lettura. L’ottenimento di pixel più piccoli si ottiene attraverso miglioramenti nell’intero sistema del rivelatore, non solo nella geometria.

I pixel più piccoli raccolgono generalmente meno energia infrarossa per pixel, il che può rendere più difficile il mantenimento della sensibilità termica. Ciononostante, questi risultati non stabiliscono una relazione universale tra il passo dei pixel e la differenza di temperatura equivalente al rumore (NETD). Dimostrano piuttosto che pixel più piccoli e array più grandi richiedono una progettazione integrata. Il passo dei pixel è la distanza da centro a centro tra elementi rilevatori adiacenti nell’array, mentre la risoluzione del rilevatore si riferisce al numero di elementi presenti nell’array. Una distanza tra i pixel più ridotta può consentire un contenitore più piccolo, un array più grande in un’area simile o il raggiungimento di un altro obiettivo di progettazione.

Confronto delle dimensioni dei pixel
L’ottica a infrarossi limita il livello di dettaglio che raggiunge il rilevatore
Un numero maggiore di elementi del rilevatore migliora il dettaglio dell’immagine solo quando il sistema ottico è in grado di risolvere le informazioni aggiuntive. Un limite fisico è rappresentato dalla diffrazione: per un’apertura circolare ideale, la risoluzione angolare limitata dalla diffrazione è approssimativamente pari a 1,22λ/D, dove λ è la lunghezza d’onda e D è il diametro dell’apertura. Poiché i sistemi a infrarossi operano spesso a lunghezze d’onda maggiori rispetto alle telecamere per la luce visibile, essi si trovano generalmente a dover affrontare un angolo limitato dalla diffrazione più ampio quando utilizzano la stessa dimensione di apertura.

La diffrazione è solo una delle componenti di una vera telecamera. La qualità ottica, la messa a fuoco, il campionamento del rilevatore, il movimento, le condizioni atmosferiche, l’elaborazione e il contrasto termico possono limitare i dettagli in primo luogo. La lunghezza d’onda, quindi, non determina il numero di elementi che un array a infrarossi può contenere.

Il campo visivo e la distanza spesso incidono maggiormente sulla decisione di acquisto. Un campo visivo ampio distribuisce una scena estesa sull’array, per cui un bersaglio di piccole dimensioni occupa un numero minore di elementi del rilevatore. Un campo visivo più ristretto distribuisce un numero maggiore di campioni su quel bersaglio, ma copre una porzione minore della scena. Anche una distanza di lavoro maggiore riduce le dimensioni angolari del bersaglio. Questi fattori influenzano inoltre la distanza alla quale una termocamera è in grado di rilevare o identificare un bersaglio a diverse distanze.

Ecco perché il valore della risoluzione deve essere valutato in relazione all’obiettivo. Se un dettaglio di piccole dimensioni risulta sfocato o scarsamente risolto dall’ottica, l’aggiunta di soli campioni del sensore potrebbe non ripristinare i dettagli persi. Al contrario, un buon obiettivo non può creare campioni nativi al di là del sensore.

Una risoluzione più elevata richiede una produzione più complessa
Aumentare la risoluzione di una termocamera non è semplicemente una questione di aggiungere più pixel. Gli array ad alta risoluzione richiedono processi di fabbricazione, elettronica di lettura e incapsulamento compatibili, il che aumenta la complessità e il costo del sistema. Per questo motivo, aumentare il numero di pixel nelle termocamere può comportare vincoli di produzione e di costo diversi rispetto a quelli delle telecamere a luce visibile, dove la produzione di sensori ad alta risoluzione è generalmente più matura.

L’incapsulamento sottovuoto illustra questa sfida. I bolometri a infrarossi non raffreddati utilizzano un ambiente sottovuoto controllato per migliorare l’isolamento termico e la sensibilità, ma questo processo di incapsulamento aggiunge complessità alla produzione. La ricerca sui dispositivi MEMS e MOEMS identifica l’incapsulamento sottovuoto come un importante fattore di costo, sebbene non definisca una relazione universale tra costo e numero di pixel.

Il prezzo finale riflette l’insieme di rilevatore, ottica, elettronica, calibrazione e progettazione del prodotto, quindi la risoluzione da sola non è indicativa del costo. Questi stessi fattori spiegano anche perché le termocamere sono costose.

Risoluzione, NETD e precisione rispondono a domande diverse
Un array nativo più ampio fornisce un maggior numero di campioni spaziali nello stesso campo visivo quando l’ottica è comparabile. Ciò non migliora automaticamente la sensibilità termica, la precisione di misurazione della temperatura, la messa a fuoco o la qualità complessiva dell’immagine.

Specifiche Domanda principale
Risoluzione nativa del rilevatore: quanti elementi a infrarossi campionano la scena?
NETD: quale valore di sensibilità termica è indicato nelle condizioni di prova specificate?
Risoluzione del display: quanti pixel può visualizzare lo schermo?
Precisione della temperatura: con quale precisione il sistema radiometrico è in grado di stimare la temperatura nelle condizioni specificate?
Ottica e messa a fuoco: in che misura l’obiettivo riproduce i dettagli della scena sul sensore?
Elaborazione: in che modo il segnale acquisito viene corretto, migliorato o visualizzato?
Il manuale dell’EX10 di Raythink elenca la risoluzione del rilevatore, l’uscita in super-risoluzione, l’IFOV, il NETD, la risoluzione del display, la risoluzione video e la precisione di misurazione come specifiche separate, con i singoli valori e le condizioni di prova indicati nella sezione dedicata ai dati tecnici.

Il confronto utile non consiste quindi semplicemente nel determinare quale termocamera abbia il numero più elevato di pixel. Si tratta piuttosto di capire quale configurazione di rilevatore, obiettivo, sensibilità e misurazione si adatti alla scena desiderata.

Quando un numero maggiore di pixel nativi è d’aiuto
Una risoluzione nativa più elevata è particolarmente utile quando la posizione esistente della telecamera, il campo visivo e l’ottica non distribuiscono un numero sufficiente di campioni indipendenti sull’elemento che si desidera osservare. Esempi comuni includono una scena ampia che contiene diverse piccole aree di interesse, una posizione fissa della telecamera che non può avvicinarsi o un bersaglio che deve essere osservato da una distanza di lavoro maggiore. A parità di campo visivo e ottiche comparabili, un array più grande può distribuire un maggior numero di campioni su tali caratteristiche.

Ampio campo visivo (FOV) – Risoluzione termica leader a 1280
Tale vantaggio dipende comunque dall’immagine che raggiunge il rilevatore. Una messa a fuoco sfocata, un obiettivo non adeguatamente abbinato, un contrasto termico debole, il movimento o la perdita atmosferica possono limitare i dettagli utilizzabili prima che il numero di contatori del rilevatore diventi il vincolo principale. Una risoluzione più elevata non garantisce inoltre un NETD o una precisione termica migliori; tali specifiche devono essere verificate separatamente.

Una configurazione a risoluzione inferiore può essere adeguata quando il bersaglio è di grandi dimensioni nell’immagine, la termocamera può avvicinarsi, il campo visivo può essere ristretto oppure l’attività richiede solo un chiaro modello termico piuttosto che dettagli spaziali fini. La domanda giusta non è se il rilevatore abbia meno pixel rispetto a una fotocamera per la luce visibile. È piuttosto se il rilevatore e l’obiettivo proposti catturino informazioni utili sufficienti per la decisione effettiva.

Scegliere la risoluzione in base al bersaglio e alla scena
Iniziare dalla caratteristica, dal componente o dal modello termico più piccolo che si deve rilevare o confrontare. Quindi procedere verso l’esterno:

Registrare la larghezza e l’altezza fisiche del bersaglio.
Registrare la distanza di lavoro normale e le posizioni consentite della telecamera.
Definire la larghezza, l’altezza o il campo visivo della scena che devono rientrare in un’unica immagine.
Specificare se l’attività consiste nel rilevamento di anomalie, nell’interpretazione della forma, nel confronto tra componenti o nella misurazione radiometrica.
Descrivere il contrasto termico minimo significativo, i vincoli di messa a fuoco, il movimento, l’atmosfera ed eventuali finestre a infrarossi nel percorso ottico.
Confrontare la risoluzione nativa del sensore e l’obiettivo proposto come un’unica configurazione, quindi convalidare la configurazione scelta in condizioni rappresentative.
Non esiste una soglia universale di pixel sul bersaglio valida per ogni attività. A parità di ottica, un maggior numero di campioni nativi può essere d’aiuto quando un singolo fotogramma deve coprire una scena ampia, un bersaglio distante o diverse aree di piccole dimensioni. In un’altra configurazione, avvicinarsi, restringere il campo visivo o migliorare la messa a fuoco può aggiungere dettagli più utili rispetto all’acquisto di un sensore più grande.

Quando il bersaglio e la scena richiedono un numero maggiore di pixel nativi, la guida di Raythink alle termocamere ad alta risoluzione ne spiega i vantaggi e i contesti di applicazione.

Specificare la scena prima del numero di pixel
Le termocamere hanno spesso un numero ridotto di pixel nativi perché il rilevatore, l’ottica, la lettura, la fabbricazione, il confezionamento sottovuoto, la calibrazione e l’economia del prodotto devono funzionare come un unico sistema. Sono disponibili risoluzioni native più elevate, ma il loro valore dipende dalla scena e dall’attività da svolgere.

Preparate una breve descrizione dell’applicazione che includa le dimensioni del bersaglio, la distanza di lavoro, il campo visivo richiesto, il contrasto termico significativo, le condizioni ambientali e di movimento, e se sono necessari dati di temperatura radiometrici. Potrete quindi contattare Raythink per chiarire i compromessi tra rilevatore e obiettivo e identificare ciò che deve essere convalidato nell’applicazione effettiva.