THE MAIN PARAMETERS OF THERMAL IMAGING DEVICES

DIE WICHTIGSTEN PARAMETER VON WÄRMEBILDGERÄTEN

Die Auflösung des Wärmebildsensors (Mikrobolometer) ist ein wichtiger Parameter für die Bewertung der Sensorqualität. Sie ist die Anzahl der empfindlichen Elemente (Pixel), aus denen der Sensor besteht. Sensoren mit einer großen Anzahl von Pixeln können ein detaillierteres Bild eines Objekts erzeugen.

Standardgrößen für Wärmebildsensoren sind:

Pixelabstand
Der Pixelabstand ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten von zwei Pixeln eines Mikrobolometers. Bei Wärmebildsensoren wird sie in Mikrometern (µm) gemessen.

Füllfaktor
Der Füllfaktor ist das Verhältnis der empfindlichen Oberfläche aller Pixel zur Gesamtfläche der Pixel. Sensoren mit einem höheren Füllfaktor können eine größere Menge an Energie absorbieren.

Vergrößerung
Der Vergrößerungswert gibt an, um wie viel größer das beobachtete Bild (mit Hilfe des optischen Geräts) im Vergleich zu dem mit bloßem Auge beobachteten Objekt ist. Die Maßeinheit ist die Vergrößerungsleistung (Symbol „x“, z. B. 2x – „2-fache Vergrößerung“).

Bei Wärmebildgeräten liegen die typischen Werte im Bereich des 1- bis 5-fachen, da die Hauptaufgabe von Nachtsichtgeräten in der Entdeckung und Erkennung von Objekten bei schlechten Lichtverhältnissen oder ungünstigen Wetterbedingungen besteht. Die Erhöhung der Vergrößerung von Wärmebildgeräten führt zu einer beträchtlichen Verringerung der Lichtstärke (oder der relativen Blende) des Objektivs, was zu einer erheblichen Verringerung des Kontrasts gegenüber dem Hintergrund führt. Die Verringerung der Lichtstärke des Objektivs mit zunehmender Vergrößerung kann durch eine Vergrößerung des Objektivdurchmessers kompensiert werden. Dies führt jedoch zu einer Vergrößerung der Dimensionen, des Gewichts und der Komplexität des optischen Designs des Geräts. All diese Faktoren verringern den Nutzungskomfort der Geräte und erhöhen den Preis der Wärmebildkameras erheblich.

Der Komfort ist bei Wärmebild-Zielfernrohren extrem wichtig, da der Schütze es zusammen mit der Waffe mit den Händen halten muss. Eine starke Vergrößerung führt auch zu Schwierigkeiten bei der Zielsuche und -nachverfolgung, vor allem, wenn sich das Ziel bewegt, da sich mit zunehmender Vergrößerung das Sehfeld verkleinert.

Die Vergrößerung wird durch die Brennweite des Objektivs und des Okulars sowie durch den Skalierungskoeffizienten (K) definiert, der dem Verhältnis der physikalischen Größen (Diagonalen) von Bildschirm und Sensor entspricht:

Dabei gilt:
f Objektiv - die Brennweite des Objektivs
f Okular - die Brennweite des Okulars
L Bildschirm - die Diagonale des Bildschirms
L Sensor - die Diagonale des Sensors

Vergrößerungs-Abhängigkeiten:

Je größer die Brennweite der Objektivs, die Bildschirmgröße, desto höher die Vergrößerung.
Je höher die Brennweite des Okulars und die Sensorgröße, desto geringer die Vergrößerung.

Sehfeld

Das Sehfeld definiert die Breite des Raums, der durch das optische Gerät in einer bestimmten Entfernung betrachtet werden kann. Das Sehfeld wird in der Regel in Grad angegeben (der Winkel des Sehfelds ist unten im Bild als 2ω dargestellt) oder in Metern für eine bestimmte Entfernung (M) (normalerweise 100 M) zum beobachteten Objekt (das lineare Sehfeld ist im Bild als A dargestellt).

Das Sehfeld eines digitalen Nachtsichtgeräts wird durch die Brennweite der Objektivs (f Objektiv) und die physikalische Größe des Sensors (B) bestimmt. Für Berechnungszwecke wird in der Regel die Breite (horizontale Abmessung) als physikalische Größe des Sensors verwendet, und als Ergebnis erhält man das horizontale Sehfeld:


Wenn die vertikale oder diagonale Sensorabmessungen bekannt ist, kann das vertikale oder diagonale Sehfeld auf ähnliche Weise berechnet werden.

Je größer das Sehfeld ist, desto komfortabler ist die Beobachtung, da man das Gerät nicht ständig bewegen muss, um den gewünschten Teil oder Bereich zu sehen.

Es ist wichtig zu wissen, dass sich das Sehfeld umgekehrt proportional zur Vergrößerung verhält, d. h. wenn die Vergrößerung zunimmt, schrumpft das Sehfeld. Dies ist einer der Gründe, warum keine Infrarotsysteme (insbesondere Wärmebildkameras) mit hoher Vergrößerung hergestellt werden. Gleichzeitig ist es wichtig zu verstehen, dass eine Vergrößerung des Sehfelds zu einer Verringerung der Entdeckungs- und der Erkennungsreichweite führt.

Sehfeld-Abhängigkeit:

Je größer der Sensor oder je kleiner die Brennweite des Objektivs, desto größer ist das Sehfeld

Bildfrequenz

Die Bildfrequenz ist eines der wichtigsten Merkmale eines Wärmebildgeräts. Aus der Sicht des Benutzers ist dies die Anzahl der Bilder, die in einer Sekunde auf dem Bildschirm angezeigt werden. Diese wird in der Regel in Hertz (Hz) gemessen, wobei 1 Hz einem Bild pro Sekunde entspricht. Je höher der Wert der Bildrate, desto weniger sichtbar ist der Effekt der Verzögerung des von der Wärmebildkamera erzeugten Bildes gegenüber der realen Szene. Bei der Beobachtung dynamischer Szenen mit einer Wärmebildkamera mit einer Bildwiederholrate von 9 Bildern pro Sekunde ist das Bild unscharf, und die Bewegungen der Objekte wirken verzögert und "ruckartig". Im Gegenteil, je höher die Bildrate ist, desto flüssiger wird die Wiedergabe dynamischer Szenen sein.

Auflösung und Faktoren, die die Auflösung beeinflussen

Die Auflösung wird durch die Parameter der optischen Elemente eines Geräts, des Sensors, des Bildschirms, der Qualität der Elektronik und auch durch die verwendeten Software-Algorithmen bestimmt. Die Auflösung eines Wärmebildgeräts (Auflösungsvermögen) ist ein komplexer Wert, der sich aus der Wärmebildauflösung und der räumlichen Auflösung zusammensetzt. Betrachten wir jeden dieser Punkte einzeln:

• Wärmebildauflösung (NETD - Noise Äquivalent Temperature Difference)
  Laienhaft ausgedrückt ist dies die Empfindlichkeit des Geräts oder die minimal nachweisbare Temperaturdifferenz und gibt ein Verhältnis des Objektsignals zum Hintergrundsignal an, das das Rauschsignal des Wärmebildsensors einer Wärmebildkamera berücksichtigt. Eine gute Wärmebildauflösung bedeutet, dass eine Wärmebildkamera ein Objekt mit einer bestimmten Temperatur auf einem Hintergrund mit einer sehr nahen Temperatur darstellen kann, und je geringer der Unterschied zwischen den Temperaturen von Objekt und Hintergrund ist, desto höher ist die Wärmebildauflösung.
• Räumliche Auflösung
  Die räumliche Auflösung beschreibt die Fähigkeit eines Geräts, zwei nahe beieinander liegende Punkte oder Linien getrennt darzustellen. In den technischen Spezifikationen eines Geräts kann dieser Parameter als „Auflösung“, „Auflösungsgrenze“ oder „maximale Auflösung“ angegeben werden, was jeweils dasselbe ist.
  Häufig wird die Geräteauflösung durch die räumliche Auflösung des Wärmebildsensors (Mikrobolometer) bestimmt, da die räumliche Auflösung der Optik die des Wärmebildsensors weit übersteigt.
  Die räumliche Auflösung wird in der Regel in Linien pro Millimeter angegeben, kann aber auch in Winkeleinheiten (Sekunden oder Minuten) angegeben werden. Je höher der Wert der Auflösung in Linien pro Millimeter, desto höher die Auflösung. Je höher die Auflösung des Geräts, desto klarer ist das Bild, das der Betrachter sieht.

Für die Messung der Auflösung wird ein spezielles Gerät, ein so genannter Kollimator, verwendet, der das Bild eines Testdiagramms - eines Testlinien-Wärmebildobjekts - abbildet. Wenn man das Testdiagramm durch das optische Gerät betrachtet, kann man die Auflösung der Wärmebildkamera beurteilen - je dünner die Linien sind, die separat sichtbar sind, desto höher ist die Auflösung des Geräts.

Bild: Verschiedene Arten von Wärmebild-Testdiagrammen (Wärmebildansicht)

Die Auflösung hängt auch von der Auflösung des Objektivs und des Okulars ab. Das Objektiv erzeugt ein Bild des beobachteten Objekts auf dem Wärmebildsensor in der Brennebene. Ist die Auflösung des Objektivs gering, ist eine weitere Verbesserung der Auflösung des Geräts nicht möglich. Ebenso kann ein minderwertiges Okular das klarste Bild, das das Gerät und seine Komponenten auf dem Bildschirm erzeugen, „verderben“.

Die räumliche Auflösung des Geräts hängt auch von den Parametern des Bildschirms ab. Ebenso wie beim Sensor wird auch die Auflösung des Bildschirms in Form von der Anzahl der Pixel (horizontal x vertikal) und deren Größe angegeben. Die Pixeldichte wird durch einen Wert wie PPI (Pixel per Zoll) charakterisiert - dieser Wert gibt die Anzahl der Pixel auf einer Fläche von einem Quadrat-Zoll an. 

Die Parameter des Wärmebildsensors haben großen Einfluss auf die Auflösung des Geräts. Die Auflösung eines Wärmebildsensors (Mikrobolometer) ergibt sich in erster Linie aus der Gesamtzahl der Pixel (in der Regel angegeben als horizontale Anzahl der Pixel x vertikale Anzahl der Pixel) und dem Pixelabstand. Diese beiden Kriterien bilden die Hauptgrundlage für die Bewertung der Auflösung.

Wärmebildkameras können unterschiedliche Algorithmen zur Signalverarbeitung verwenden, die die Gesamtauflösung des Geräts beeinflussen können. In erster Linie geht es um "digitales Zoomen", bei dem das von dem Wärmebildsensor in der Objektive-Brennebene erzeugte Bild verarbeitet und mit Vergrößerung auf das Bildschirm übertragen wird. In diesem Fall kommt es zu einer leichten Verringerung der Gesamtauflösung. Ein ähnlicher Effekt ist bei digitalen Fotokameras zu beobachten, wenn der digitale Zoom verwendet wird.

Abgesehen von den oben beschriebenen Faktoren sollten einige weitere Faktoren erwähnt werden, die die Auflösung verringern können. Dabei handelt es sich in erster Linie um verschiedene Arten von "Rauschen", die das Nutzsignal verzerren und letztlich die Bildqualität verschlechtern. Es können die folgenden Arten von Rauschen unterschieden werden:

Dunkelstromrauschen - der Hauptgrund für das Auftreten dieser Art von Rauschen ist die thermische Elektronenemission (spontane Emission von Elektronen, die zur Erwärmung des Materials des Wärmebildsensors führen). Je niedriger die Temperatur, desto geringer ist das Dunkelstromsignal, d. h. das Rauschen, und genau zu diesem Zweck werden Verschluss und Mikrobolometer kalibriert.

Ausleserauschen - Wenn das in einem Pixel gespeicherte Signal aus dem Sensor entnommen und in elektrische Spannung umgewandelt und verstärkt wird, entsteht in jedem Element ein zusätzliches Rauschen, das als Ausleserauschen bezeichnet wird.

Zur Rauschunterdrückung werden verschiedene Software-Algorithmen eingesetzt, die oft als Rauschunterdrückungsalgorithmen bezeichnet werden.

Abgesehen vom Rauschen kann die Auflösung auch durch elektronische Störungen stark beeinträchtigt werden, die aufgrund von Fehlern bei der Konstruktion des Geräts (Platzierung von Leiterplatten und Drähten im Gerät) oder aufgrund von Fehlern bei der Leiterplattenauslegung (Position der Leiterbahnen und Qualität der Abschirmungsschichten) auftreten. Elektronische Störungen können auch durch Fehler in den elektronischen Schaltkreisen des Geräts verursacht werden, z. B. durch die falsche Auswahl der Elemente für die Filter in den Stromkreisen. Daher sind der Entwurf elektronischer Schaltungen, die Softwareentwicklung für die Signalverarbeitung und die Leiterplattenauslegung wichtige Aufgaben bei der Entwicklung von Wärmebildgeräten.

Abhängigkeit der Auflösung:

Je größer die Anzahl der Pixel und je kleiner die Größe des Wärmebildsensors, desto besser die Auflösung.

Diese Aussage trifft zu, wenn die verglichenen Wärmebildsensoren die gleiche physikalische Größe haben. Wärmebildsensoren mit einer höheren Pixeldichte haben eine bessere Auflösung.

Beobachtungsreichweite

Der angegebene Beobachtungsreichweite eines Wärmebildgeräts hängt von einer Kombination zahlreicher interner Faktoren (Sensorparameter, Optik und Elektronik) und externer Bedingungen (verschiedene Merkmale des beobachteten Objekts, Hintergrund, Klarheit der Atmosphäre usw.) ab.

Die Beobachtungsreichweite wird in der Regel in Entdeckungsreichweite, Erkennungsreichweite und Identifizierungsreichweite unterteilt. Jeder dieser Bereiche wird nach den Kriterien von Johnson definiert, wonach der Beobachtungsreichweite direkt mit der Temperatur und der räumlichen Auflösung zusammenhängt.

Um dieses Thema vollständig zu erklären, ist es notwendig, den Begriff der kritischen Größe eines beobachteten Objekts einzuführen. Die kritische Größe ist die Größe, die als Grundlage für die Analyse des Objektbildes dient, um seine charakteristischen geometrischen Merkmale zu finden. Die kritische Größe eines Wildschweins, eines Rehs oder eines Menschen ist zum Beispiel die Körpergröße.

Entdeckungsreichweite
Die Entfernung, in der die kritische Größe eines beobachteten Objekts auf zwei oder mehr Pixel eines Wärmebildsensors abgebildet, wird als Entdeckungsreichweite bezeichnet. Entdeckung bedeutet nur, dass etwas in einer bestimmten Entfernung zu sehen ist, dies aber keine Auskunft darüber gibt, was es ist (d. h. das Objekt kann nicht erkannt werden).

Erkennungsreichweite
Die Erkennung eines Objekts bedeutet, dass erkannt werden kann, was das Objekt ist. Dies bedeutet, dass der Beobachter erkennen kann, was das Objekt ist, z. B. Mensch, Tier, Auto usw. Es wird davon ausgegangen, dass eine Erkennung möglich ist, wenn die kritische Größe eines Objekts auf mindestens 6 Pixel des Sensors abgebildet wird.

Identifizierungsreichweite
Aus der Sicht des Jägers ist der Identifizierungsreichweite der am meisten brauchbare Bereich. Identifizierung bedeutet, dass der Beobachter nicht nur die Art des Objekts, sondern auch seine charakteristischen Merkmale beurteilen kann (z. B. Eber 1,2 m lang und 0,7 m hoch). Damit diese Bedingung erfüllt ist, sollte die kritische Größe eines Objekts auf mindestens 12 Pixel des Sensors abgebildet werden.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die angegebenen Bedingungen für Entdeckung, Erkennung oder Identifizierung des angegebenen Objekts jeweils auf einer Wahrscheinlichkeit von 50 % beruhen. Je mehr Pixel von der kritischen Größe eines Objekts abgedeckt werden, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit von Entdeckung, Erkennung oder Identifizierung.

Augenabstand

Der Austrittspupillenabstand ist der Abstand zwischen der Außenfläche der letzten Okularlinse und der Oberfläche des Auges des Beobachters, in dem das beobachtete Bild so optimal wie möglich ist (maximales Sehfeld mit minimalen Verzerrungen). Dieser Parameter ist sehr wichtig für Zielfernrohre, bei denen der Austrittspupillenabstand nicht weniger als 50 mm betragen muss (optimal sind 80-100 mm). Ein solch hoher Austrittspupillenabstand ist notwendig, um zu verhindern, dass ein Schütze beim Schuss durch den Rückstoß verletzt wird. Bei Nachtsicht- und Wärmebildgeräten entspricht der Austrittspupillenabstand in der Regel der Länge der Augenmuschel, die erforderlich ist, um das von dem Bildschirm ausgestrahlte Licht zu verdecken.

Kalibrierung des Wärmebildsensors

Die Kalibrierung eines Wärmebildgeräts kann in eine werksseitige und eine benutzerdefinierte Kalibrierung unterteilt werden. Der Herstellungsprozess von Wärmebildgeräten, die ungekühlte Mikrobolometer (Wärmebildsensoren) verwenden, erfordert eine werksseitige Kalibrierung des Geräts (Objektiv in Verbindung mit dem Sensor), die den Einsatz spezieller Geräte erfordert.

Die Werkskalibrierung ersetzt nicht die Notwendigkeit einer benutzerdefinierten Kalibrierung während der Beobachtung. Während des Betriebs des Geräts kann eine benutzerdefinierte Kalibrierung mit Hilfe eines internen Verschlusses, der den Sensor abdeckt, oder einer Objektivkappe, die das Objektiv und den Sensor abdeckt, durchgeführt werden. Es ist erwähnenswert, dass die Kalibrierung mit Hilfe eines Objektivdeckels das beste Ergebnis liefert, da sie zusätzlich die Bildfehler korrigiert, die durch die von den Geräteteilen und Linsen ausgehende Störaussendung verursacht werden. Einige Geräte werden per Software kalibriert, ohne dass der Verschluss oder die Objektivkappe verwendet wird.

Eine benutzerdefinierte Kalibrierung ist erforderlich, da sich der Wärmebildsensor während des Gebrauchs ungleichmäßig erwärmt und dadurch Rauschen entsteht, das dazu führt, dass das Gerät die beobachtete Szene nicht korrekt wiedergibt. Während des Kalibrierungsprozesses werden verschiedene Teile des Sensors ausgewertet und Berechnungen durchgeführt, um das Signal auszugleichen, so dass das Gerät ein korrektes Bild erzeugt.