Anatomie d’un capteur d’imagerie thermique

Un utilisateur lambda détermine la classe d’un appareil d’imagerie thermique d’après la résolution de son capteur ou, en d’autres termes, le nombre de pixels horizontaux et verticaux que l’écran est capable d’afficher. Bien qu’il existe de nombreux autres facteurs pour déterminer la qualité d’une image thermique, il y a une raison à cela : plus un capteur contient de pixels, plus il peut afficher de détails à l’image pour l’utilisateur.

Qualité d’une image thermique

La résolution d’un appareil d’imagerie thermique est déterminée par les paramètres des éléments optiques, du capteur, de l’écran, de la qualité de conception de l’appareil, ainsi que par les algorithmes de traitement du signal. Dans cet article, nous ne considérerons que l’influence des paramètres du capteur sur la qualité de l’image thermique. Concernant les autres paramètres, nous partirons du fait qu’ils sont optimaux.

La résolution d’un appareil d’imagerie thermique est un paramètre complexe composé de la résolution thermique et de la résolution spatiale.

La résolution spatiale caractérise la capacité d’un appareil d’imagerie thermique à afficher deux points ou deux lignes distinctes proches. Plus la résolution est élevée, plus l’image est nette pour l’utilisateur. Du point de vue de l’utilisateur, la résolution spatiale est le paramètre le plus parlant et le plus objectif pour déterminer la qualité d’image d’un appareil d’imagerie thermique.

La résolution thermique (moindre écart de température détectable) est le rapport limite entre le signal de l’objet observé et le signal de fond, en tenant compte du bruit du capteur d’imagerie thermique. Une résolution thermique élevée signifie que l’appareil d’imagerie thermique peut détecter un objet à une certaine température sur un fond d’une température de valeur proche. Plus l’écart entre la température d’un objet et les températures environnantes, détectées par l’appareil, est faible, plus la résolution thermique est élevée.

La caractéristique la plus importante qui affecte la résolution thermique d’un appareil d’imagerie thermique est le NETD (Différence de température minimale détectable) du capteur. Il se mesure en millikelvins. Le NETD d’un capteur est une grandeur qui correspond au plus petit écart de température que ce capteur peut percevoir. Ce paramètre correspond à un rapport signal sur bruit égal à un. En d’autres termes, la variation du signal de sortie du capteur sous une différence de température égale au NETD correspond au niveau de bruit du capteur. Plus la valeur du NETD est faible, plus la sensibilité du capteur est élevée.

Lors du choix d’un appareil d’imagerie thermique, les clients sont guidés par différents arguments : grossissement de base, distance de détection, champ de vision, poids, taille, prix. Pourtant, même la fiche technique la plus détaillée fournie par les fabricants d’appareils d’imagerie thermique ne contient pas l’élément “qualité d’image”. En outre, même des appareils aux performances identiques sur le papier affichent des résultats sensiblement différents dans la réalité.

Comparons deux caméras thermiques de Pulsar : l’Axion 2 XG35 et l’Helion 2 XP50 Pro.

C’est un bon exemple de deux appareils d’imagerie thermique aux performances similaires mais à un prix différent. L’Axion 2 XG35 et l’Helion 2 XP50 Pro ont un capteur de même résolution spatiale (640 x 480 pixels), un grossissement de 2,5 à 20 x, ainsi que des champs de vision (12.5 x 9.4 et 12.4 x 9.3°) et des distances de détection similaires (1750 et 1800 m). 

Alors, qu’est-ce qui justifie la différence de prix de 30% ? La réponse est la différence de qualité d’image.

Comment évaluer la qualité de l’image thermique

Si vous vous rendez avec l’Axion 2 XG35 et l’Helion 2 XP50 Pro sur le terrain un soir d’été et que vous regardez à travers l’oculaire, seul un œil bien entraîné remarquera la différence de qualité d’image – les deux appareils afficheront un contraste et des images détaillées à peu près équivalents.

Cependant, la chasse se déroule rarement dans des conditions idéales et au moment idéal de la journée pour un appareil d’imagerie thermique. La saison de chasse active en Europe tombe en automne et en hiver, quand le temps est humide avec de la pluie, du brouillard et du gel nocturne. Ce sont ces conditions réelles qui justifient la différence de prix.

Dans des conditions de faible contraste thermique, l’image de l’Helion 2 XP50 Pro contient plus d’informations que celle de l’Axion 2 XG35. Il ne s’agit pas d’un ensemble de taches avec un nombre limité de nuances entre le noir et le blanc, mais d’une image au contraste « photographique » avec une large gamme de tons moyens et un rendu de haute qualité de la cible et de l’arrière-plan. L’excellente résolution thermique de l’Helion 2 XP50 Pro est principalement due à la sensibilité NETD de son capteur – un bon NETD est particulièrement important pour les scènes à faible contraste thermique, lorsque les différents corps sont à peu près à la même température. Comme par exemple, les paysages.

L’observation de décors à faible contraste thermique démontre clairement la cohésion entre la résolution thermique et la résolution spatiale d’un appareil d’imagerie thermique. Vous pourriez penser qu’avec des appareils équipés de capteurs de résolution égale (dans notre cas, les deux capteurs ont une résolution de 640×480 pixels), l’image visible à l’écran devrait être détaillée de la même façon.  

Pas du tout. Si le contraste thermique du décor est faible, un appareil d’imagerie thermique avec une résolution thermique inférieure (soit une valeur du NETD plus élevée) affichera moins distinctement les détails. Les zones avec des températures proches mais différentes seront affichées à l’écran comme égales, et elles auront la même luminosité et le même contraste dans l’image du groupe de pixels. En fait, ceci signifie une résolution spatiale moins élevée.

Ainsi, la résolution spatiale de l’image visible n’est pas constante et peut diminuer avec la diminution du contraste thermique de la scène observée. Cela semble paradoxal, mais un appareil thermique avec une résolution du capteur moindre et une meilleure sensibilité (par exemple, 384 x 288 pixels, @ 17 µm / NETD < 25 mK) peut afficher des scènes à faible contraste comportant plus de détails qu’un appareil d’imagerie thermique avec une résolution plus élevée mais une sensibilité inférieure (par exemple, 640 x 480 pixels @ 12 µm / NETD < 40 mK).

La sensibilité du capteur n’affecte pas la distance de détection (celle-ci dépend de la focale de l’objectif et du pas de pixel du capteur). Dans notre exemple, l’Helion 2 XP50 Pro et l’Axion 2 XG35 ont la même distance de détection pour un objet standard de 1,8 m de haut. Cependant, si nous parlons des caractéristiques qualitatives de la distance d’observation, à savoir les distances de reconnaissance et d’identification, alors lors d’une diminution du contraste de la scène (brouillard, pluie, brume, humidité accrue), l’appareil thermique Axion 2 XG35 “perdra” bien plus rapidement.

Plus de pixels pour une meilleure qualité

Revenons à nos exemples. Dans chacun des cas considérés, la meilleure qualité d’image est affichée par des appareils dotés d’un capteur au NETD <25 mK, les deux capteurs ayant un pas de pixel de 17 microns.

NETD du capteur

Plus il compte de pixels et plus sa surface est grande, plus le capteur recevra du rayonnement LWIR et plus sa sensibilité sera élevée. L’effet de la taille du capteur sur le NETD est à la base de l’idéologie même des capteurs et de leur taille de pixel.

Cela se voit clairement dans notre exemple. Les capteurs ont la même résolution (640×480 pixels), mais le capteur de l’Helion 2 XP50 Pro a une plus grande taille de pixel (17 microns contre 12 microns) et une meilleure sensibilité (NETD <25 mK contre NETD <40 mK).

En conséquence, l’Helion 2 XP50 Pro est un appareil de niveau professionnel. En achetant cet appareil thermique, le client paie non seulement pour une qualité d’image supérieure, mais aussi pour un appareil de confiance qui saura faire face aux surprises de la météo durant la chasse.

Quelques mots sur les avantages des capteurs avec une petite taille de pixel. Premièrement, pour les appareils dotés d’un capteur au pas de pixel plus faible, la même distance de détection, le même grossissement et le même champ de vision peuvent être obtenus avec un objectif de focale inférieure. C’est ce qu’a montré l’Axion 2 XG35.

Dans le cas de l’Axion 2 XG35 et de l’Helion 2 XP50 Pro, les deux appareils ont la même distance de détection. L’Axion utilise un objectif de plus petite focale  (F35/1,0), l’Helion – avec une plus grande focale (F50/1,0), mais la distance de détection des appareils est la même en raison du pas de pixel moindre du capteur de l’Axion. Dans des conditions idéales avec une dégradation du contraste thermique sur le site d’observation, l’Helion 2 XP50 Pro affichera de meilleurs résultats grâce au meilleur NETD de son capteur.

Deuxièmement, à résolution égale, un capteur au pas de pixel moindre sera physiquement plus petit. Ainsi, un appareil équipé d’un tel capteur peut être plus compact.

Si nous comparons un capteur moderne de 12 microns et un capteur du début du 21ème siècle d’un pas de pixel de 25 microns, alors le NETD du premier sera très probablement plus élevé, car au cours des 20 dernières années de sérieux progrès ont été réalisés dans le développement et la fabrication de capteurs micro-bolométriques et dans la qualité des matériaux utilisés.

Dans les capteurs modernes, plus la taille des pixels est grande, plus la sensibilité est élevée (et donc l’indice NETD est moindre). C’est un axiome – avec des matériaux identiques, il est impossible de créer un capteur thermique d’une taille de pixel inférieure et à un prix inférieur tout en gardant une meilleure sensibilité.

Le NETD du capteur est mesuré conformément à des réglementations qui sont identiques ou similaires pour tous les fabricants. Mais récemment, le NETD a subi une transformation, passant de caractéristique technique spéciale à outil populaire pour la promotion des appareils, ce qui n’est pas toujours consciencieux.

Désormais, les meilleurs lots de production de capteurs d’un pas de pixel de 17 µm atteignent un NETD inférieur à 25 mK, et ceux d’un pas de pixel de 12 µm – un NETD inférieur à 40 mK.  En même temps, un certain nombre de capteurs ont toujours un NETD de valeur inférieure dans le lot. Cela signifie que les fabricants peuvent assembler un petit nombre d’appareils d’imagerie thermique à haute sensibilité qui sont utilisés comme produits de démonstration lors du lancement sur le marché. Cependant, une telle sensibilité ne peut être reproduite dans la fabrication d’importants lots de production d’appareils. Même si dans les supports publicitaires et informatifs sur le produit, cette sensibilité surestimée est annoncée tout au long de son cycle de vie.

Lors de la rédaction des spécifications techniques dans le certificat de l’appareil, certains fabricants sont guidés par les paramètres des leaders du marché et indiquent les chiffres qu’un consommateur potentiel souhaiterait voir. En conséquence, aujourd’hui sur le marché, vous pouvez trouver des appareils avec une valeur de NETD déclarée inférieure à 25 mK pour des capteurs au pas de pixel de 12 microns (par exemple, pour un capteur 640×512 @12µm), ce qui ne sera pas vrai.

Certains fabricants utilisent et prennent en compte le signal post-traitement, tel que le filtrage d’image, pour augmenter la valeur du NETD. Le résultat ainsi obtenu ne peut être considéré comme la valeur du NETD du capteur. Pour être précis, il s’agit de la valeur du NETD de l’appareil d’imagerie thermique, ce qui est prometteur sur le papier. En réalité, l’amélioration du NETD (c’est-à-dire la réduction de sa valeur) due au filtrage d’image entraîne une diminution de la résolution spatiale de l’image visible à l’écran, ainsi qu’une perte de détail à l’image et donc une baisse du nombre d’informations.

Dans le développement de capteurs et de dispositifs d’imagerie thermique, il existe des lois objectives et des limitations qui ne peuvent être contournées. Un appareil d’imagerie thermique haut de gamme ne peut pas être bon marché. Si deux appareils d’imagerie thermique aux capacités et aux caractéristiques similaires présentent une différence de prix significative, il est fort probable que le bas prix de l’appareil plus abordable s’explique par un compromis en termes de qualité d’image. Cela doit être pris en compte lors du choix d’un appareil d’imagerie thermique.