Выбор F-числа тепловизионного объектива

Выбор тепловизора часто сводится к выбору разрешения сенсора и фокусного расстояния объектива, чтобы получить ту или иную дальность обнаружения цели. Например, в технических требованиях указывают: тепловизор с разрешением 640х480пикс и объектив 100мм. 

Рассмотрим реальную ситуацию выбора тепловизионной камеры, когда все предлагаемые сенсоры имеют требуемое разрешение 640х480пикс на основе технологии аморфного кремния (aSi), шаг пикселя 17мкм и тепловую чувствительность (NETD) равную 50мК – данные параметры являются типовыми для современных длинноволновых микроболометров. Также все предложенные объективы имеют фокусное расстояние 100мм, но отличаются по относительному отверстию F. Параметры объективов следующие:

С учётом указанных параметров светосилы и светопропускания в ИК-диапазоне (от 8 до 12мкм), можно посчитать сколько процентов света пройдёт через объектив:

Освещённость на матрице с объективом F1.6 и светопропусканием 88% = (1/1.6)2 х 0.88 = 34%

Освещённость на матрице с объективом F1.4 и светопропусканием 88% = (1/1.4)2 х 0.88 = 49%

Освещённость на матрице с объективом F1.2 и светопропусканием 88% = (1/1.2)2 х 0.88 = 61%

Соответственно, можно показать, что тепловая чувствительность системы тепловизор + объектив изменится с паспортных 50мК до

Таким образом паспортная чувствительность тепловизора 50мК сильно зависит от светопропускания объектива, и в нашем примере, в лучшем случае составляет 82мК (объектив 3) и в худшем случае – 147мК (объектив 1). То есть в результате тепловизор не сможет «увидеть температурную разницу» в 0.05 градуса, а лишь 0.08 ~ 0.15 градуса, что тоже, кажется, очень неплохо.

Как это повлияет на результат наблюдения? Если температурные контрасты велики, и наблюдаемый объект по температуре значительно отличается от фона, то все камеры одинаково хорошо покажут объект. Но если ситуация усложняется, то результаты начнут отличаться. Под усложнением ситуации наблюдения можно понимать: низкий тепловой контраст цели и фона, атмосферные осадки.

Внешний вид собранной установки для тестирования. Все объективы с фокусным расстоянием 100 мм, но с отличающимся F (слева направо объективы): F1.2, F1.4, F1.6. Можно заметить, как по цвету отражения различаются просветляющие/защитные покрытия объективов.

Для проведения тестирования потребовалось некоторое время, чтобы застать различные погодные условия и провести соответствующие съёмки.

Вид области наблюдения в видимом спектре. Дождь. Изображения получены в сухую тёплую погоду. Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2 соответственно.

Можно заметить, что в целом все объективы обеспечивают достаточное качество изображения, чтобы вести наблюдение. При этом объектив F1.4 не обеспечивает большой резкости на ближнем плане. Наиболее детализированная картинка с объективом F1.2 – это можно заметить по детализации проводов на заднем плане и по деталям на крыше здания на ближнем плане. В данной ситуации разница между объективами не является критической.

В дождь картина меняется. Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2:

В дождь возникает два негативных эффекта для наблюдения в ИК-спектре. Во-первых, дождь создаёт «препятствие» на пути прохождения ИК-света, а во-вторых, вода сравнивает температуру окружающей среды, тем самым уменьшая тепловой контраст.

Можно заметить следующее:

• при меньшем относительном отверстии F1.6 значительно снижается контраст изображения;
• объекты с низким тепловым контрастом плохо различимы – столбов на заднем фоне почти не видно;
• визуально изображение при F1.2 более понятно для оператора, чем F1.6 или F1.4.
• изображение значительно хуже, чем в ясную погоду.

Другой ракурс в сухую солнечную погоду. Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2 соответственно:

Есть незначительная разница в изображении, но в целом это не влияет на восприятие и анализ тепловизионного изображения.

Для полноты представления разницы между объективами не хватило выборки в различную погоду.