Светосила ИК-объектива: почему f/1.0 — это не роскошь

Светосила и NETD связаны напрямую

NETD — минимальная разница температур, различимая на фоне шума. Её измеряют для конкретной пары «матрица плюс объектив», и значение из паспорта матрицы получено при определённом относительном отверстии, обычно f/1.0.

Поток излучения на пиксель пропорционален квадрату относительного отверстия. Переход с f/1.0 на f/1.4 уменьшает поток вдвое, и NETD неохлаждаемой матрицы ухудшается примерно во столько же раз.

Отсюда практическое следствие: модуль с паспортным NETD 25 мК, укомплектованный объективом f/1.4, на практике ведёт себя как модуль с 40–50 мК. Сравнивать модули по NETD корректно только при одинаковой светосиле.

Всё сказанное — про неохлаждаемые болометрические матрицы. У охлаждаемых матриц MWIR логика другая: холодная диафрагма задаёт объективы f/2–f/5,5, а чувствительность достигается охлаждением, а не светосилой.

Почему в ИК светосила даётся дороже

Материалы линз — германий и халькогенидные стёкла — существенно дороже стекла и в разы плотнее. Светосильный объектив требует больших диаметров, и масса растёт как куб размера.

Просветление обязательно. Без просветляющего покрытия германий отражает около 36 % излучения на каждой поверхности, и одна линза с двумя поверхностями теряет больше половины потока; светосила без покрытия обесценивается.

Аберрации. Чем больше относительное отверстие, тем труднее удержать разрешение по полю: приходится добавлять линзы или асферические поверхности, и объектив снова дорожает и тяжелеет.

Где светосилой можно пожертвовать

Съёмка горячих объектов с малой дистанции: контраст сцены велик, и запас по NETD не нужен. Здесь f/1.4 экономит массу без потери результата.

Длиннофокусная оптика на дальность. При фокусном 75–100 мм объектив f/1.0 становится неподъёмным для дрона по массе и габариту, и компромисс делают в пользу f/1.2–f/1.4. Другой путь — матрица с шагом 12 мкм вместо 17: при том же угловом разрешении она обходится фокусным в 1,4 раза короче, и объектив f/1.0 снова укладывается в массу.

Наоборот, при поиске людей и животных в лесу, при контроле утечек и при работе по малому перепаду температур экономить на светосиле нельзя: там NETD и есть решающий параметр.

Что проверяют вместе со светосилой

Согласованность с шагом пикселя. Объектив, чьё дифракционное пятно крупнее пикселя, не даст матрице раскрыться; на 12 мкм это уже заметно и требует контроля.

Наличие и тип просветления, диапазон 8–14 мкм. «ИК-объектив» без указания диапазона может оказаться рассчитанным на 3–5 мкм и в LWIR работать не будет.

Атермализацию — сохранение фокусировки при изменении температуры. Без неё светосильный объектив расфокусируется на морозе и на солнцепёке, и весь выигрыш по NETD теряется.