Sensori IR a pixel piccoli: Ottimizzare SWaP-C e le prestazioni per applicazioni mission-critical

I sistemi di imaging termico utilizzati in applicazioni mission-critical per la difesa, l'ispezione professionale, la pubblica sicurezza, le operazioni industriali, la robotica, i sistemi senza equipaggio e la sicurezza automobilistica sono sottoposti a una pressione costante per offrire maggiore portata, consapevolezza e affidabilità in progetti più piccoli, leggeri, a basso consumo e più convenienti. Il pixel pitch infrarosso più piccolo viene spesso considerato come un percorso diretto per migliorare SWaP-C, ma la relazione tra dimensione dei pixel e prestazioni a livello di sistema è complessa. Nei sistemi MWIR a lungo raggio, in particolare quelli che utilizzano ottiche con zoom continuo, il pixel pitch deve essere valutato insieme a sensibilità, risoluzione spaziale, design ottico, producibilità, gamma dinamica, prestazioni DRI e architettura complessiva del sistema.

Principali attrazioni

• Il pixel pitch più piccolo può aiutare a ridurre le dimensioni in alcuni sistemi a FOV fisso, ma il vantaggio è meno semplice nei sistemi MWIR a lungo raggio con ottica a zoom continuo.
• Ottiche più rapide richieste da pixel più piccoli possono aumentare la complessità di progettazione, le difficoltà di produzione, le dimensioni, il peso e i costi.
• SWaP-C a livello di sistema dipende dall’intera catena di imaging, compresi il rilevatore, l’ottica, il refrigeratore criogenico, il modulo termocamera, l’elaborazione delle immagini e i requisiti di integrazione.
• In alcune applicazioni a lungo raggio, un pixel pitch più ampio può offrire vantaggi in termini di prestazioni DRI, pur mantenendo un SWaP-C favorevole nel complesso.
• L'architettura ottimale deve essere abbinata a missione, piattaforma, requisiti di portata, obiettivo di costo e strategia di produzione.

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Sfondo

L'innovazione ha portato a una costante diminuzione del pixel pitch IR, consentendo moduli termocamera IR più piccoli, più leggeri, a basso consumo e più convenienti. Questi progressi hanno ampliato l'uso di core IR compatti con obiettivi a campo visivo fisso in applicazioni mission-critical in cui la termografia può migliorare la consapevolezza, l'efficienza e la sicurezza. Tuttavia, le stesse ipotesi non sempre si applicano a sistemi IR più complessi e a lungo raggio. Nei sistemi MWIR che utilizzano obiettivi con zoom continuo (CZ), l'effetto del pixel pitch su dimensioni, peso, costi e prestazioni non è semplice. La migliore architettura dipende dall'analisi dei compromessi sia a livello di componente che di sistema.

Figura 1. 8 μ m MWIR Neutrino SX8 - CZF 30-300 (sinistra) e 15 μ m MWIR Neutrino LC - CZ 27-275 (destra)

Teledyne FLIR OEM è integrato verticalmente, da ROIC, rilevatori e refrigeratori criogenici a moduli termocamera MWIR e LWIR, ottiche con zoom continuo e software di percezione. Questa prospettiva sensore-sistema aiuta i progettisti a valutare l'intera catena di imaging piuttosto che ottimizzare un componente in isolamento. Ad esempio, la serie Neutrino IS, mostrata nella Figura 1, include più pixel pitch MWIR e opzioni di ottica CZ, consentendo ai progettisti di sistemi di valutare SWaP-C, costi, producibilità e compromessi sulle prestazioni per applicazioni specifiche.

Definizioni chiave

I seguenti termini forniscono un riferimento rapido per i concetti ottici e di imaging utilizzati in questo documento. Comprendere come queste variabili interagiscono è essenziale per valutare pixel pitch, ottiche, SWaP-C, costi e prestazioni a livello di missione come parte di un sistema a infrarossi completo.

Design ottico SWaP-C

FIGURA 2. LA RIDUZIONE DEL PIXEL PITCH RIDUCE LA LUNGHEZZA FOCALE E LA DIMENSIONE DELL'ARRAY PER UN DATO FOV E RISOLUZIONE

La Figura 2 illustra che, per un dato numero di pixel sul bersaglio, la risoluzione dei pixel e il campo visivo, la riduzione del pixel pitch può teoricamente ridurre le dimensioni del sistema perché sia la dimensione dell’array di pixel sia la lunghezza focale effettiva sono ridotte proporzionalmente. Per i sistemi a FOV fisso, questo vantaggio può essere significativo. Per i sistemi MWIR a lungo raggio con obiettivi CZ, tuttavia, fattori di progettazione aggiuntivi possono ridurre o addirittura superare il vantaggio teorico SWaP-C. Le piattaforme mission-critical devono essere ottimizzate per prestazioni complete del sistema, complessità di integrazione, affidabilità, costo e dimensioni, specialmente quando l’ottica domina l’equazione SWaP-C.

Sensibilità

I pixel più piccoli richiedono un numero f proporzionalmente più veloce per ottenere una sensibilità simile a causa della ridotta dimensione dei pixel, di una riduzione generale dell’efficienza quantica, di una maggiore corrente scura e di un aumento del rumore a modello fisso. Di conseguenza, il diametro del sistema (Ø), guidato dall'elemento ottico anteriore o dall'apertura di ingresso, è uguale o leggermente maggiore di quello dei sistemi con pixel più grandi e con la stessa sensibilità.

Risoluzione spaziale

I pixel più piccoli richiedono anche un numero f più veloce per ottenere la stessa risoluzione spaziale, o pixel per punto sfocato, ipotizzando ottiche con diffrazione limitata. I numeri f inferiori a ƒ/3 sono notevolmente più costosi e difficili da produrre perché le aberrazioni ottiche devono essere controllate con un’angolazione maggiore. Di conseguenza, le prestazioni quasi limitate dalla frazione possono diventare proibitivamente costose o irraggiungibili.

Tolleranza ottica

I numeri f più rapidi richiedono tolleranze di progettazione ottica più strette, complicando il design e richiedendo potenzialmente elementi aggiuntivi per ottenere prestazioni simili. Ciò può aumentare la lunghezza del gruppo obiettivo EFL più corto oltre a quella del gruppo numero f più lento utilizzato da un sistema con pixel più grandi. Dimensioni, peso e costi sono tutti fattori che ne risentono negativamente.

Intervallo dinamico

Pixel più piccoli riducono tipicamente la gamma dinamica perché la capacità diminuisce generalmente con il passo dei pixel. Ciò può ridurre le prestazioni complessive del sistema.

Crosstalk da pixel a pixel

La diafonia pixel-pixel diventa più difficile da mitigare man mano che il rapporto pitch-lunghezza-diffusione diminuisce e i processi di fabbricazione diventano più impegnativi. Questa diafonia degrada ulteriormente la funzione di trasferimento della modulazione del sistema (MTF) e le prestazioni complessive.

I vantaggi dei pixel pitch più piccoli sono spesso più semplici nei sistemi a FOV fisso. Nei sistemi con ottica CZ, un pixel pitch più piccolo non si traduce necessariamente in un significativo risparmio SWaP-C. La Tabella 1 confronta tre design di sistema derivati dalle tipiche specifiche dell'obiettivo 10x CZ mantenendo la risoluzione spaziale, o IFOV, uguale. In questo esempio, il pixel pitch MWIR determina i requisiti del numero f, che influenzano direttamente il numero di elementi ottici e il design ottico complessivo. Con la diminuzione del pixel pitch da 15 μ m a 8 μ m a 5 μ m, l'ottica diventa più complessa, più pesante e più costosa.

TABELLA 1. SPECIFICA DELLE LENTI 10X CZ TIPICHE PER SENSORI DI PASSO PIXEL DA 5 μ m, 8 μ m E 15 μ m

Costo del sistema a infrarossi

Il costo a livello di sistema IR include il costo dell'ottica indicato nella Tabella 1 e il costo del modulo termocamera, che include la matrice, il wafer, il refrigeratore criogenico e altri input di costo dei sottocomponenti. Come mostrato nella Figura 3, il costo a livello di sistema diminuisce con il pixel pitch fino a raggiungere il minimo per il sistema MWIR di esempio con un obiettivo CZ 10x a 8 μ m, dove il costo del modulo della telecamera è ridotto al minimo. Il pixel pitch da 8 μ m offre un risparmio sui costi a livello di sistema del 9% e del 19% rispetto ai pixel pitch da 5 μ m e 15 μ m, rispettivamente. In parole semplici, i costi a livello di sistema raggiungono un punto di diminuzione dei rendimenti e possono aumentare quando vengono utilizzati i sensori pixel più piccoli.

FIGURA 3. ESEMPIO MWIR CON OTTICA 10X CZ COSTO A LIVELLO DI SISTEMA RIDOTTO AL MINIMO A 8 Μ M

Prestazioni DRI del sistema a infrarossi

Oltre a considerazioni su costi, dimensioni e peso, i sistemi con passo da pixel più grandi possono fornire vantaggi in termini di prestazioni di rilevamento, riconoscimento e identificazione (DRI) in alcune applicazioni a lungo raggio. I criteri DRI descrivono la portata effettiva di una termocamera e sono comunemente utilizzati per valutare se un sistema di imaging può rilevare un oggetto, riconoscerne la classe o identificare i dettagli necessari per supportare una decisione. Queste attività sono rilevanti in tutti i casi d’uso mission-critical, tra cui sorveglianza, pubblica sicurezza, ricerca e soccorso, monitoraggio industriale, robotica, piattaforme autonome e sistemi di sicurezza automobilistica.

Identificazione (ID)

Per l’attività di identificazione, l’osservatore deve identificare correttamente ciascun target dal set di target.

Riconoscimento (Rec)

Per l’attività di riconoscimento, l’osservatore deve identificare correttamente la classe generale del bersaglio, come il tipo di veicolo, la categoria di oggetto, il pedone, l’animale, l’ostacolo o un’altra classe di rilevanza per la missione.

Rilevazione (Det)

Per l'attività di rilevamento, l'osservatore deve rilevare correttamente il bersaglio in una scena.

Continuando con l'esempio di progettazione dell'obiettivo 10x CZ, le prestazioni dei tre sistemi possono essere modellate utilizzando una dimensione critica target di 3,1 m e una variazione di temperatura target di 4,0 K nel modello NV-IPM. Il modello considera anche la tipica degradazione nel MTF di aberrazione ottica per le ottiche f/1,8, f/2,9 e f/5,5; una riduzione conservativa del rapporto segnale/rumore per pixel pitch da 5 μ m, 8 μ m e 15 μ m; MTF di diffusione del rilevatore costante; e parametri altrimenti equivalenti, tra cui target, atmosfera, trasmissione spettrale della telecamera e display.

Le distanze alle quali esiste una probabilità del 50% di raggiungere l’attività per le difficoltà di attività misurate V50 di 2,0 (rilevamento), 9,0 (riconoscimento) e 13,0 (identificazione) sono fornite nella Tabella 3. I dati modellati indicano che il sistema pixel pitch da 15 μ m presenta vantaggi di distanza del 12% per il rilevamento, del 10% per il riconoscimento e fino al 12% per l’identificazione rispetto al pixel pitch da 5 μ m.

FIGURA 4. MODELLAZIONE DRI NV-IPM PER MWIR CON OBIETTIVO 10X CZ PER PIXEL PITCH DA 5, 8 E 15 Μ M

Riepilogo dei compromessi nella progettazione di piccoli pixel

Nel complesso, gli esempi da 5 μ m, 8 μ m e 15 μ m mostrano che un pixel pitch più piccolo non fornisce automaticamente SWaP-C, costi o prestazioni migliori a livello di sistema. Nelle architetture degli obiettivi CZ, i pixel più piccoli spesso richiedono numeri f più rapidi, che possono aumentare la complessità ottica, la sensibilità alla tolleranza, il peso e il costo. Anche il costo del modulo termocamera, compresi wafer, refrigeratore criogenico e altri sottocomponenti, può raggiungere un punto di diminuzione dei rendimenti man mano che il pixel pitch diminuisce. In questo esempio, il costo a livello di sistema è ridotto al minimo a 8 μ m, mentre il sistema da 15 μ m fornisce prestazioni DRI modellate più elevate. La giusta architettura IR, quindi, dipende dal requisito dell'intera gamma di profili di missione, dai vincoli della piattaforma, dall'ottica, dagli obiettivi di produzione e dal design totale del sistema, non solo dal pixel pitch.

Per le applicazioni mission-critical in cui la portata, l'affidabilità, SWaP-C e la producibilità sono fondamentali, è essenziale un'analisi precoce dei compromessi a livello di sistema. Teledyne FLIR OEM aiuta i team di ingegneri a valutare rilevatori, ottiche, modulo termocamera, refrigeratore criogenico, elaborazione delle immagini e considerazioni sulla produzione per identificare l'architettura di imaging termico più adatta all'applicazione. Per scoprire la soluzione a infrarossi giusta per il tuo prossimo progetto, visita oem.flir.com.