Шаг пикселя тепловизора: почему 12 мкм вытеснил 17 мкм на нагрузках БПЛА

Уменьшение теплового пикселя с 17 до 12 мкм позволило матрице 640×512 занять физическую площадь старой матрицы класса 384 — меньше германиевой оптики, легче нагрузки, больше дальности на грамм. Это тихий двигатель, благодаря которому нагрузки в 130 г несут полноценные 640 в тепловом канале.

• 12 µmШаг текущего поколения
• 17 µmЧто он заменил
• 8 µmСледующая волна
• 130 gМасса нагрузки 640×512 сегодня

Шаг, размер матрицы и оптика

Размер матрицы — это просто разрешение, умноженное на шаг. Массив 640×512 при 17 мкм имеет размер около 10,9 × 8,7 мм; тот же массив при 12 мкм — около 7,7 × 6,1 мм. То же число пикселей, существенно меньший кусок кремния.

Это уменьшение распространяется наружу. Меньшей фокальной плоскости нужно меньшее фокусное расстояние при том же поле зрения, а меньшее фокусное расстояние означает меньший объектив. Поскольку объём германиевой линзы является доминирующим фактором стоимости и массы в любой тепловой нагрузке — германиевые линзы и диафрагмы f/1.0 разбирает почему, — уменьшение матрицы оказывается самым действенным способом уменьшить всю оптическую сборку.

Это и есть механизм, стоящий за целой категорией микронагрузок. Тепловой канал 640×512 в модуле на 130 г вроде MV-2P — не только триумф компоновки; это то, что происходит, когда матрица, а следом и оптика становятся достаточно малы, чтобы поместиться. Sub-250 g payloads разбирает, что это открыло на практике.

Размен на чувствительность

Меньшие пиксели собирают меньше энергии. Пиксель 12 мкм имеет примерно вдвое меньшую площадь, чем 17 мкм, и при меньшем падающем излучении на пиксель страдает отношение сигнал/шум — что исторически стоило NETD, меры наименьшей разности температур, которую матрица способна разрешить.

Современные микроболометры 12 мкм закрыли этот разрыв за счёт лучшей вакуумной упаковки и схемы считывания. Улучшенный вакуум в корпусе матрицы снижает отвод тепла от каждой подвешенной мембраны, поэтому бо́льшая часть поглощённой энергии даёт измеримое изменение сопротивления, а более совершенная электроника считывания извлекает больше сигнала из того, что осталось. Серийные матрицы 12 мкм теперь соответствуют классам чувствительности прежних сенсоров 17 мкм.

Опубликованные по всей линейке цифры отражают эту зрелость: шаг 12 мкм повсюду, NETD от менее 40 мК у MV-2P до менее 50 мК у модулей 640×512. Тепловая чувствительность простым языком разбирает, как читать эти цифры вместе с их условиями.

Нагрузка	Тепловое разрешение	Шаг пикселя	Published NETD
MV-2M	256×192	12 µm	менее 50 мК при 25 °C
MV-2P	640×512	12 µm	менее 40 мК при 25 °C
OP-90A	640×512	12 µm	менее 50 мК при 25 °C
OP-90P	640×512	12 µm	менее 50 мК при f/1,0 и 25 °C
OP-125A	640×512	12 µm	менее 50 мК при f/1,0 и 25 °C
LX-9B	640×512	12 µm	менее 50 мК при f/1,0 и 25 °C

Шаг и дальность

При равном фокусном расстоянии меньший шаг сужает мгновенное поле зрения каждого пикселя — на цель на заданной дистанции попадает больше пикселей, а это ровно та величина, что управляет дальностью обнаружения и опознавания. Так что на бумаге меньший шаг покупает дальность.

Оговорка в том, что это верно, пока не подтянутся ограничения по чувствительности. Больше пикселей на цели помогает лишь тогда, когда каждый пиксель всё ещё разрешает искомую разность температур; хорошо отснятая, но лежащая ниже шумового порога цель не обнаруживается. На практике эти два эффекта торгуются друг с другом, и чистый выигрыш зависит от контраста сцены.

Для высококонтрастных целей — человек на прохладной земле, горячий разъём на фоне окружающего металла — выигрыш в числе пикселей преобладает, и меньший шаг действительно увеличивает дальность. При пограничном контрасте — нет. Что такое дистанции DRI разбирает модель «пикселей на цели», а фокусное расстояние тепловизионного объектива разбирает вторую половину того же уравнения.

Что стоит проверить покупателю

Шаг присутствует в любой серьёзной спецификации рядом с разрешением, и его отсутствие само по себе информативно. Если в спецификации указано разрешение без шага — спрашивайте: это число существует, и нет уважительной причины его опускать.

То же разрешение при меньшем шаге обычно означает более новое поколение матрицы вместе с пришедшими с ним улучшениями считывания и корпусирования. Две нагрузки, обе заявляющие 640×512, где одна на 17 мкм, а другая на 12 мкм, — не современники, и более новая, как правило, будет легче, компактнее и не менее чувствительна.

1. Читайте разрешение и шаг вместе — одно без другого говорит мало.
2. Сравнивайте NETD вместе с условиями измерения, а не голое число.
3. Проверьте получившуюся оптику: меньшая фокальная плоскость должна проявиться как более лёгкая и компактная нагрузка.
4. Спросите, какого поколения матрица, если шага в спецификации нет.

И держите порядок приоритетов прямо. Шаг — полезный индикатор поколения, но разрешение, светосила и стабилизация влияют на выдаваемое изображение куда непосредственнее — см. что покупателю стоит игнорировать в первую очередь.

Волна 8 мкм

Первые продукты на 8 мкм уже существуют. Ждите массового перехода по мере созревания выхода годных и NETD — ровно так же, как было с 12 мкм: тот же цикл с тем же ранним периодом, когда новый шаг доступен, но ещё не очевидно лучше.

Эту закономерность стоит распознавать, потому что она повторяется. Каждое поколение уменьшает фокальную плоскость, уменьшает оптику и поначалу стоит чувствительности, которую улучшения корпусирования и считывания затем возвращают за несколько лет. Покупка в начале этой кривой даёт вам выигрыш в размере и ещё не отыгранный штраф по чувствительности; покупка в середине даёт и то и другое.

Для большинства покупателей практический совет непритязателен: 12 мкм — зрелое поколение сегодня, и ждать незачем. Переход на 8 мкм будет иметь значение тогда, когда откроет класс нагрузок, которого сейчас не существует, — как 12 мкм открыли модуль на 130 г с полноценными 640. См. неохлаждаемые против охлаждаемых матриц о том, где технология находится в целом.

Читайте также

• Как работают неохлаждаемые микроболометры VOx
• Тепловизионная оптика: германиевые линзы и апертуры f/1.0
• От NETD к DRI
• Тепловая чувствительность (NETD) простым языком
• 256×192 vs 640×512 Resolution
• Фокусное расстояние тепловизионного объектива на дронах
• Неохлаждаемые против охлаждаемых тепловых матриц
• Sub-250 g Drones, Real Thermal
• MV-2P — 640×512 thermal at 130 g
• OP-125A — 30x optical multi-sensor pod
• LX-9B — мультисенсорная нагрузка с дальнометрией
• Тепловизионное обследование солнечных электростанций

FAQ

Означает ли меньший шаг большую дальность?

При равном фокусном расстоянии — да: меньший шаг сужает мгновенное поле зрения каждого пикселя, поэтому на удалённую цель попадает больше пикселей, а именно пиксели на цели управляют дальностью обнаружения. Выигрыш держится, пока не подтянутся ограничения по чувствительности: хорошо отснятая цель всё равно должна превысить шумовой порог. В высококонтрастных сценах выигрыш по числу пикселей преобладает; при пограничном контрасте — нет.

Готовы ли 8 мкм для нагрузок БПЛА?

Первые продукты существуют, и массовый переход должен последовать по мере созревания выхода годных и NETD — ровно тем путём, каким прошли 12 мкм. В начале этой кривой вы получаете выигрыш в размере вместе со штрафом по чувствительности, ещё не отыгранным улучшениями корпусирования и считывания. Для сегодняшнего покупателя 12 мкм — зрелое поколение, и ждать 8 мкм нет причин, если только они не откроют класс нагрузок, которого сейчас не существует.

Почему шаг так сильно влияет на массу нагрузки?

Потому что размер матрицы равен разрешению, умноженному на шаг, а размер объектива масштабируется вместе с размером матрицы при заданном поле зрения. Тепловые линзы делают из германия — плотного и дорогого, поэтому объём линзы определяет и стоимость, и массу сильнее почти любого другого компонента. Уменьшение фокальной плоскости с 17 до 12 мкм существенно уменьшает оптику, и это и есть настоящая причина, по которой тепловой канал 640×512 теперь помещается в модуль на 130 г.

Вопросы по технологии? Напишите нашим инженерам — отвечаем в течение 2 рабочих дней.