Sensores IR de píxeles pequeños: Optimización de SWaP-C y rendimiento para aplicaciones de misión crítica

Los sistemas termográficos utilizados en aplicaciones de misión crítica para defensa, inspección profesional, seguridad pública, operaciones industriales, robótica, sistemas no tripulados y seguridad automotriz están sometidos a una presión constante para ofrecer un mayor alcance, conocimiento y fiabilidad en diseños más pequeños, ligeros, de menor potencia y más rentables. El paso de píxel infrarrojo más pequeño a menudo se ve como una ruta directa hacia SWaP-C mejorado, pero la relación entre el tamaño de píxel y el rendimiento a nivel de sistema es compleja. En sistemas MWIR de largo alcance, especialmente aquellos que utilizan óptica de zoom continuo, el paso de píxel debe evaluarse junto con la sensibilidad, la resolución espacial, el diseño óptico, la capacidad de fabricación, el rango dinámico, el rendimiento de DRI y la arquitectura general del sistema.

Conceptos clave

• Un paso de píxel más pequeño puede ayudar a reducir el tamaño en algunos sistemas de FV fijo, pero la ventaja es menos directa en sistemas MWIR de largo alcance con óptica de zoom continuo.
• Una óptica más rápida requerida por píxeles más pequeños puede aumentar la complejidad del diseño, la dificultad de fabricación, el tamaño, el peso y el coste.
• El SWaP-C a nivel de sistema depende de toda la cadena de imágenes, incluidos el detector, la óptica, el criorrefrigerador, el módulo de cámara, el procesamiento de imágenes y los requisitos de integración.
• En algunas aplicaciones de largo alcance, un paso de píxel mayor puede ofrecer ventajas de rendimiento de DRI mientras se mantiene un SWaP-C favorable en general.
• La arquitectura óptima debe coincidir con la misión, la plataforma, el requisito de rango, el objetivo de coste y la estrategia de producción.

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Fondo

La innovación ha impulsado una reducción constante en el paso de los píxeles IR, lo que permite módulos de cámara térmica de infrarrojos más pequeños, ligeros, de menor potencia y más rentables. Estos avances han ampliado el uso de núcleos de IR compactos con lentes de campo de visión fijo en aplicaciones de misión crítica donde la termografía puede mejorar la conciencia, la eficiencia y la seguridad. Sin embargo, las mismas suposiciones no siempre se aplican a sistemas de IR más complejos y de largo alcance. En los sistemas MWIR que utilizan lentes de zoom continuo (CZ), el efecto del paso de píxel sobre el tamaño, el peso, el coste y el rendimiento no es sencillo. La mejor arquitectura depende del análisis de compensación tanto a nivel de componente como de sistema.

Figura 1. 8 μ m MWIR Neutrino SX8 - CZF 30-300 (izquierda) y 15 μ m MWIR Neutrino LC - CZ 27-275 (derecha)

Teledyne FLIR OEM está integrado verticalmente, desde ROIC, detectores y criorrefrigeradores hasta módulos de cámara térmica MWIR y LWIR, óptica de zoom continuo y software de percepción. Esta perspectiva de sensor a sistema ayuda a los diseñadores a evaluar toda la cadena de imágenes en lugar de optimizar un componente de forma aislada. Por ejemplo, la serie Neutrino IS, que se muestra en la Figura 1, incluye varios pasos de píxeles MWIR y opciones de lentes CZ, lo que permite a los diseñadores de sistemas evaluar SWaP-C, costes, fabricabilidad y compensaciones de rendimiento para aplicaciones específicas.

Definiciones clave

Los siguientes términos proporcionan una referencia rápida para los conceptos ópticos y de imágenes utilizados en este documento. Comprender cómo interactúan estas variables es esencial al evaluar el paso de píxeles, la óptica, SWaP-C, el coste y el rendimiento a nivel de misión como parte de un diseño completo del sistema de infrarrojos.

Diseño óptico SWaP-C

FIGURA 2. REDUCIR EL PASO DE PÍXEL REDUCE LA DISTANCIA FOCAL Y EL TAMAÑO DE LA MATRIZ PARA UN CAMPO DE VISIÓN Y UNA RESOLUCIÓN DETERMINADOS

La Figura 2 ilustra que, para un número determinado de píxeles en el objetivo, la resolución de píxeles y el campo de visión, la reducción del paso de píxeles puede reducir teóricamente el tamaño del sistema porque tanto el tamaño de la matriz de píxeles como la distancia focal efectiva se reducen proporcionalmente. Para los sistemas de FV fijo, esta ventaja puede ser significativa. Sin embargo, para los sistemas MWIR de largo alcance con lentes CZ, los factores de diseño adicionales pueden reducir o incluso superar la ventaja teórica de SWaP-C. Las plataformas de misión crítica deben optimizarse para obtener un rendimiento completo del sistema, complejidad de integración, fiabilidad, coste y tamaño, especialmente cuando la óptica domina la ecuación SWaP-C.

Sensibilidad

Los píxeles más pequeños requieren un número f proporcionalmente más rápido para lograr una sensibilidad similar debido a un tamaño de píxel reducido, una reducción general en la eficiencia cuántica, un aumento de la corriente oscura y un aumento del ruido de patrón fijo. Como resultado, el diámetro del sistema (Ø), que es impulsado por el elemento óptico frontal o la abertura de entrada, es igual o ligeramente mayor que el de los sistemas de píxeles más grandes de la misma sensibilidad.

Resolución espacial

Los píxeles más pequeños también requieren un número f más rápido para lograr la misma resolución espacial, o píxeles por punto de desenfoque, suponiendo óptica limitada a difracción. Los números f inferiores a ™/3 son notablemente más caros y difíciles de fabricar porque las aberraciones ópticas deben controlarse desde un ángulo más grande. Como resultado, el rendimiento casi limitado a la difracción puede volverse prohibitivamente costoso o inalcanzable.

Tolerancia óptica

Los números f más rápidos requieren tolerancias de diseño óptico más estrictas, lo que complica el diseño y puede requerir elementos de lente adicionales para lograr un rendimiento similar. Esto puede aumentar la longitud del conjunto de lente EFL más corto más allá del conjunto de número f más lento utilizado por un sistema de píxeles más grandes. El tamaño, el peso y el coste se ven afectados negativamente.

Rango dinámico

Los píxeles más pequeños normalmente reducen el rango dinámico porque la capacidad generalmente disminuye con el paso de píxeles. Esto puede reducir el rendimiento general del sistema.

Diafonía de píxel a píxel

La diafonía de píxel a píxel se vuelve más difícil de mitigar a medida que disminuye la relación paso-longitud de difusión y los procesos de fabricación se vuelven más difíciles. Esta diafonía degrada aún más la función de transferencia de modulación del sistema (MTF) y el rendimiento general.

Las ventajas de los pasos de píxel más pequeños suelen ser más sencillas en sistemas de FV fijo. En los sistemas de lentes CZ, un paso de píxel más pequeño no se traduce necesariamente en ahorros significativos de SWaP-C. La Tabla 1 compara tres diseños de sistema derivados de las especificaciones típicas de lentes de 10x CZ mientras se mantiene la resolución espacial, o IFOV, igual. En este ejemplo, el paso de píxel MWIR impulsa los requisitos de número f, que afectan directamente al número de elementos ópticos y al diseño óptico general. A medida que el paso de píxeles disminuye de 15 μ m a 8 μ m a 5 μ m, la óptica se vuelve más compleja, más pesada y más cara.

TABLA 1. ESPECIFICACIÓN DE LA LENTE TÍPICA DE 10X CZ PARA SENSORES DE PASO DE PÍXEL DE 5 μ m, 8 μ m Y 15 μ m

Coste del sistema de infrarrojos

El coste a nivel de sistema IR incluye el coste de la óptica indicado en la Tabla 1 y el coste del módulo de cámara, que incluye las entradas de costes de troquel, oblea, criorrefrigerador y otros subcomponentes. Como se muestra en la Figura 3, el coste a nivel de sistema disminuye con el paso de píxeles hasta alcanzar el mínimo para el sistema MWIR de ejemplo con una lente de 10x CZ a 8 μ m, donde el coste del módulo de cámara se minimiza. El paso de píxel de 8 μ m proporciona un ahorro de costes a nivel de sistema del 9 % y el 19 % en comparación con los pasos de píxel de 5 μ m y 15 μ m, respectivamente. En términos más sencillos, los costes a nivel de sistema alcanzan un punto de disminución de los rendimientos y pueden aumentar cuando se utilizan los sensores de píxeles más pequeños.

FIGURA 3. EJEMPLO DE MWIR CON LENTE DE 10X CZ COSTE A NIVEL DE SISTEMA MINIMIZADO A 8 Μ M

Rendimiento de DRI del sistema de infrarrojos

Además de consideraciones de coste, tamaño y peso, los sistemas de mayor paso de píxeles pueden proporcionar ventajas de rendimiento de detección, reconocimiento e identificación (DRI) en algunas aplicaciones de largo alcance. Los criterios DRI describen el rango efectivo de una cámara térmica y se utilizan comúnmente para evaluar si un sistema de imágenes puede detectar un objeto, reconocer su clase o identificar los detalles necesarios para respaldar una decisión. Estas tareas son relevantes en todos los casos de uso de misión crítica, incluida la vigilancia, la seguridad pública, la búsqueda y rescate, la supervisión industrial, la robótica, las plataformas autónomas y los sistemas de seguridad automotriz.

Identificación (ID)

Para la tarea de identificación, el observador debe identificar correctamente cada objetivo del conjunto de objetivos.

Reconocimiento (Rec)

Para la tarea de reconocimiento, el observador debe identificar correctamente la clase general del objetivo, como tipo de vehículo, categoría de objeto, peatón, animal, obstáculo u otra clase relevante para la misión.

Detección (Det)

Para la tarea de detección, el observador debe detectar correctamente el objetivo en una escena.

Siguiendo con el ejemplo de diseño de lente de 10x CZ, el rendimiento de los tres sistemas se puede modelar utilizando una dimensión crítica objetivo de 3,1 m y una variación de temperatura objetivo de 4,0 K en el modelo NV-IPM. El modelo también considera la degradación típica en MTF de aberración óptica para ópticas de f/1,8, f/2,9 y f/5,5; una reducción conservadora en la relación señal/ruido para pasos de píxeles de 5 μ m, 8 μ m y 15 μ m; MTF de difusión del detector constante; y otros parámetros equivalentes, incluidos el objetivo, la atmósfera, la transmisión espectral de la cámara y la visualización.

Las distancias a las que hay una probabilidad del 50 % de lograr la tarea para las dificultades de la tarea medida V50 de 2,0 (detección), 9,0 (reconocimiento) y 13,0 (identificación) se proporcionan en la Tabla 3. Los datos modelados indican que el sistema de paso de píxel de 15 μ m tiene ventajas de distancia del 12 % para la detección, del 10 % para el reconocimiento y de hasta el 12 % para la identificación en comparación con el paso de píxel de 5 μ m.

FIGURA 4. MODELADO NV-IPM DRI PARA MWIR CON LENTE 10X CZ PARA PASO DE PÍXEL DE 5, 8 Y 15 Μ M

Resumen de compensación de diseño de paso de píxel pequeño

En conjunto, los ejemplos de 5 μ m, 8 μ m y 15 μ m muestran que un paso de píxel más pequeño no ofrece automáticamente un mejor SWaP-C, coste o rendimiento a nivel de sistema. En las arquitecturas de lentes CZ, los píxeles más pequeños a menudo requieren números f más rápidos, lo que puede aumentar la complejidad óptica, la sensibilidad de tolerancia, el peso y el coste. El coste del módulo de cámara, incluida la oblea, el criorrefrigerador y otros subcomponentes, también puede alcanzar un punto de disminución de los retornos a medida que disminuye el paso de píxel. En este ejemplo, el coste a nivel de sistema se minimiza a 8 μ m, mientras que el sistema de 15 μ m proporciona un rendimiento de HRD modelado más sólido. Por lo tanto, la arquitectura de IR adecuada depende del requisito de rango de perfil de misión completo, las restricciones de plataforma, la óptica, los objetivos de producción y el diseño total del sistema, no solo el paso de píxel.

Para aplicaciones de misión crítica en las que el rango, la fiabilidad, el SWaP-C y la capacidad de fabricación importan, el análisis temprano de las compensaciones a nivel del sistema es esencial. El OEM de Teledyne FLIR ayuda a los equipos de ingeniería a evaluar las consideraciones de detector, óptica, módulo de cámara, criorrefrigerador, procesamiento de imágenes y producción para identificar la arquitectura termográfica que mejor se adapte a la aplicación. Para explorar la solución de infrarrojos adecuada para su próximo diseño, visite oem.flir.com.