Почему шаг пикселя 8 мкм удешевляет тепловизионный модуль сильнее, чем матрицу

Цепочка от пикселя к цене

Разрешение и шаг пикселя вместе задают физический размер матрицы. Матрица 640×512 с шагом 12 мкм — это 7,68 × 6,14 мм, та же матрица с шагом 8 мкм — 5,12 × 4,10 мм.

Размер матрицы задаёт фокусное расстояние объектива для нужного поля зрения, а фокусное расстояние вместе со светосилой — диаметр линзы. Уменьшение матрицы в полтора раза по линейному размеру уменьшает линзу примерно во столько же.

Что теряется

Чувствительность. Пиксель меньшей площади собирает меньше энергии, и чтобы удержать NETD, разработчику приходится вытягивать сигнал схемотехникой считывания. Поэтому при сравнении двух модулей смотрят не на шаг и разрешение, а на заявленный NETD при F/1,0.

Второе — требования к оптике. Меньший пиксель требует более высокого разрешения объектива: линза, которая устраивала матрицу с шагом 17 мкм, на 8 мкм превращается в ограничитель, и картинка не станет детальнее, сколько бы пикселей ни было.

Практический вывод при подборе: связка «матрица + объектив» оценивается целиком. Модуль с шагом 12 мкм и хорошим NETD часто даёт лучшую дальность обнаружения, чем модуль с 8 мкм и посредственной оптикой.

Арифметика объектива

Поле зрения определяется отношением размера матрицы к фокусному расстоянию, поэтому при переходе на 8 мкм тот же угол обзора даёт объектив на треть короче. Пересчёт для формата 640×512:

Расчёт по геометрии матрицы; у конкретного объектива поле зрения может отличаться из-за дисторсии и допуска на фокус.

Как это выглядит в каталоге

У Raytron есть оба варианта формата 640×512. Восьмимикронное ядро Turing M640Pro с объективом 8,7 мм даёт поле около 33° по горизонтали, двенадцатимикронный модуль Turing L640 Pro с объективом 9,1 мм — около 46°. Чтобы получить у матрицы с шагом 12 мкм те же 33°, понадобился бы объектив около 13 мм — в полтора раза длиннее и с линзой большего диаметра.

Шаг, объективы, NETD, габариты и масса — по карточкам каталога, поле зрения посчитано по геометрии матрицы. Массы указаны по паспортам и могут относиться к разной комплектации.

Почему это про цену, а не про габарит

Германиевая оптика — обычно самая дорогая часть тепловизионного модуля, дороже самой матрицы. Стоимость линзы растёт быстрее её диаметра, поэтому укорочение фокуса на треть при том же относительном отверстии даёт экономию, несопоставимую с выигрышем в массе.

Второй источник экономии — выход годных с пластины: при вдвое меньшей площади кристалла с той же пластины выходит больше детекторов, а стоимость обработки пластины от их числа почти не зависит.