Archiv für den Monat: Februar 2017

VOx Detektor versus ASi Silizium Detektor – Ein Vergleich

VOx (Vanadium Oxide) Detektortechnologie und ASi (Amorphes Silizium) gegenübergestellt.

Der Europäische und Osteuropäische Markt ist dominiert von Herstellern die ASi Detektoren verbauen, in den USA hingegen ist die VOx Technologie marktpräsenter, warum?

Vier vereinfachte Antworten hierauf sind:
a) Es gibt in Europa nur ASi Hersteller (Firma ULIS in Frankreich)
b) ULIS 1) hat vor Jahren auf die ASi Produktion gesetzt
c) US Exportrestriktionen limitieren die Verwendung von US VOx Sensoren
d) die ASi Detekorenherstellung ist einfacher und somit preiswerter

Worin liegen die technischen Unterschiede beider Technologien?
Betrachten wir hierzu den näheren Aufbau der Detektorzellen:

Mikrobolometer-Stuktur
Schematischer Schnitt durch eine ASi Zelle

ASi-Detektorzelle
Schematischer Aufbau einer Zelle

ASi-VOx-Vergleich
Detektorzellen in der  REM Mikroskop Ansicht
a) ASi links                         b) VOx rechts

Detektor-Sandwichstruktur
Herkömmliche VOx Zellen in der REM Ansicht

Opt-Sandwich-fpa
optimierte VOx Zelle in der REM Ansicht.

Amorphes Silizium:
Diesen Rohstoff gibt es wie Sand am Meer..,
er lässt sich einfacher verarbeiten, ist preiswerter und somit weiter verbreitet.

Vanadium Oxide:
Vanadium als Rohstoff ist seltener und somit teurer als Silizium.
VOx ist härter wie Stahl und lässt sich schwerer verarbeiten.
VOx verfügt über einen besseren Wärmeleitkoeffizient gegenüber ASi und kann somit Photonen schneller weiterleiten, verfügt somit über eine bessere Leistungsfähigkeit.

Wie definieren wir Leistungsfähigkeit?
Die Leistungsfähigkeit wird insbesondere durch die Temperatursensibilität des Detektors und somit des Trägermaterials bestimmt. Kennzahl hierfür ist NETD (Noise Equivalent Temperatur Difference).
Die Bewertung des “Rauschen” (Noise) ist bestimmt durch die notwendige Strahlung, die notwendig ist um ein Ausgangssingnal zu erzeugen, welches identisch ist mit dem Detektorgrundrauschen oder vereinfacht erklärt: Es definiert die minimal messbare Temperaturdifferenz.

Eine höhere Temperatursensibilität des Detektors ist beim Anwender erkennbar durch ein schärfers, kontrastreicheres Bild, folglich mehr Reichweite und bessere Schärfe im Zoombereich.

Vergleichen wir eine ASi mit einer VOx Optik, die über identische Linsen  (f-Nummer) und Auflösung verfügen, stellen wir fest (auch rechnerisch), dass die VOx Optik um 3-fach höhere Temperatursensibilität verfügt. (VOx = 0,039 Kelvin zu 0,1 Kelvin = ASi, bei 25C° und f=1).

Wettlauf zwischen ASi und VOx Herstellern
Im Vergleich stellen wir fest, dass die Optimierung der VOx Zellenstruktur fortgeschrittener ist. Patenschutzrechte erschweren eine einfache Dublikation der Technologie.

Nehmen wir die oben im Bild ersichtliche optimierte Zellenstruktur eines der führenden US Sensor Herstellers als Beispiel:
Durch die durchlöcherte Oberfläche der oberen “Membrane”, wird die Oberfläche verringert (absorber Superstruktur) und somit das “Temperaturansprechverhalten” durch weniger Masse optimiert.  Die Löcher der oberen Membrane sind 1/2 so groß wie die Wellenlänge des Lichtes (8 µm) also 4 µm. Somit “sieht” das Licht die Löcher nicht und “verliert” keine Energie.
Die Temperatursensibilität wird durch diese geniale Erfindung verbessert.

Einblick in die ULIS ASi Fertigung gibt der folgende Youtube Film

ULIS-Microbolometer-production
ASi Fertigungsprozeß

Vorteile von VOx gegenüber ASi zusammengefasst:
– kein Einbrennen z.B. bei direkter Sonneneinstrahlung
– sehr geringes Rauschverhalten, somit bessere Bildqualität
– allgemein höhere Temperatursensibilität
– geringerer Stromverbrauch
– kürzeres “Pixel Ansprechverhalten”

Fazit:
Vergleicht man beide Technologien in einer Optik mit eigenen Augen, wird man sich zu 99% zu der VOx Technologie entscheiden, aber auch hier gilt: Die Qualität des Gesamtsystems entscheidet, nicht nur der Sensor alleine!
Auch alle US Rüstungsprogramme verwenden VOx Detektoren, dies ist oft ein Indiz dafür, dass es sich um die technisch bessere Wahl handelt.

Weiterführende Literatur über Microbolometer Strukturen finden Sie hier: Microbolometer .pdf

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1)  Ausgegliederte Unternehmung aus den Forschungsaktivitäten der CEA, hier Subdivision LETI (French Alternativ Energies and Atomic Energy Commission), staatliche Einrichtung mit gewerblichem und kommerziellem Charakter, unter gemeinsamen Zuständigkeit des Ministeriums für Bildung und Forschung, des Verteidigungsministeriums und des Ministeriums für Wirtschaft, Finanzen und Industrie.

 

12µm Pitch versus 17µm Detektor – ein Vergleich

12 µm Detektortechnologie und 17 µm gegenübergestellt
Stand der Technik im Bereich der ungekühlten Wärmebildoptiken sind VOx Detektoren mit einer Detektorzellengröße (Pitch) von 12 Mikrometer im Quadrat.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Kleinere Bauform, kleiner notwendige Linsen mit selbigen Sehfeld im Vergleich zu Detektoren mit größerem Pitch, somit Gewichtsersparnis, weniger Stromverbrauch und insbesondere eine schärfere und detailreichere Bilddarstellung durch die Verwendung neuester Bildoptimierungssoftware / Algorithmen.

Als Faustformel gilt: „Je kleiner der Pitch, desto schärfer das Bild“

12-micron-BOSON-vs.-17-micron-ULIS
12 µm Detektor links   17 µm Detektor rechts

Warum kleiner notwendige Linsen?
Betrachten wir einen IR Detekor unter einem REM Mikroskop, so lässt sich die folgende Schachbrettartige Struktur erkennen:

FLIR Boson Nahaufnahme

Jede Detektorzelle (vgl. eines Schachbrettfeldes) ist wiederum vergrößert und schematisch dargestellt wie folgt aufgebaut:

IR Detektoraufbau
Detektorzellenstruktur in Schema

12µm Pitch ist also die Pixelgröße (size) einer Detektorzelle im Quadrat.
Bei einem 12 micron Detektor sind also die Detektorzellen entsprechend kleiner, welches wiederum zu einer kleineren Gesamtbauform des Detektors führt.
Das folgende Bild vermittelt einen Eindruck über die Größenrelationen in der Pixelwelt:

Pixel Größenvergleich

Selbiges Sehfeld bei kleinerer Linse und kleinerem Pitch?
Die folgende Graphik zeigt den Vergleich von einer Optik mit 12µm und 25µm Pitch:
Zu erkennen ist, dass die 12µm Optik bei kleinerer Linse das selbe Sehfeld aufweist.
Theoretische Grundlagen sind vergleichbar mit der einer Lochkamera, Strahlensatz.

12µm vs.25µm

Kleinerer Pitch = mehr Leistung = ein Wiederspruch?
Um diese Fragen zu beantworten müssen wir vorab die Leistung definieren.
Ist Leistung =
a) Auflösung (Bildschärfe)?
b) Temperatursensibilität?

Vergleichen wir die Detektorzelle mit einem “Eimer” der Photonen “einsammelt”, so wäre die Logik: “Je größer desto besser, da mehr Photonen einfallen und somit mehr “verbeitet werden können”.
Fazit: Der Pixel Pitch (Eimergröße) bestimmt die Sensibilität!”

Die Pixelgröße bestimmt aber auch die Auflösung (vgl. Fernseher),
Fazit: “Je kleiner, desto schärfer das Bild.

Zur Erklärung nehmen wir folgendes zutreffendes Beispiel.
Vergleichen wir auf der Rennstrecke einen Wagen mit 12 Zylinder Motor aus dem Jahre 2010 mit einen aufgeladenen 6 Zylinder Boxermotor aus dem Jahre 2017. Wir stellen fest, dass der Wagen mit dem 6 Zylinder sicherlich besser performt und schneller am Ziel ist.
Wir wissen aber auch,  dass erst ab 4 Liter Hubraum beim PKW die Laufkultur anfängt, aber gelernt wurde:  Hubraum ist nicht alles!
Im übertragenen Sinne bedeutet dies: Entscheidend für die Gesamtleistungsfähigkeit eines Systems, ist die optimale Abstimmung aller Komponenten, die neueste Technologie (Software etc.)  und wie im Bsp. gemeint, die PS-Leistung die am Ziel ankommt!
Und das sehen Sie bei Optiken mit 12 micron Pitch sofort mit Ihren eigenen Augen..

Je kleiner der Pitch, desto wirtschaftlicher die Herstellung der Sensoren
Die Reduktion des Pitches ist die Konsequenz eines Kostenreduktionsbestrebens in der Sensorenfertigung.
Je mehr Sensoren beim Herstellprozeß gefertigt werden können, desto niedriger die Stückkosten. Das folgende Bild zeit einen Sensorwaver (vgl. Waffeleisen), je mehr Sensoren auf einem “Backblech” passen, desto mehr Sensoren ergeben sich aus einem “Backvorgang”.

waver stack
Sensor                                    Sensor waver

In der Herstellung spricht man hierbei vom SWAP-C Reduktionsbestreben:
Reduktion von: Size, Weight, Power, Cost.
Dies zeigt anschaulich das folgende Schaubild:

need-for-SWAPC

Fazit:
Wollen Sie eine Optik erwerben, die Sie auf den letzten technologischen Stand bringt und Sie somit die nächsten zwei Jahre nicht der Technologie “hinterher laufen”, so investieren Sie in eine Optik mit 12 µm Pitch. Das warten hat ein Ende!

 

Vorankündigung Pulsar Quantum Lite XQ23V / XQ30V

Die Firma Pulsar mit Sitz in Russland kündigt zwei neue handgeführte Wärmebild Beobachtungsoptiken an.
Die Optiken mit der Bezeichnung Quantum Lite werden in zwei Ausführungen mit 384×288 ULIS ASi Detektor mit 17 µm Pitch angepriesen:
Quantum Lite XQ23V
Quantum Lite XQ30V

Pulsar Quantum Lite
Der Unterschied beider liegt in der Frontlinsengröße und somit in Sehfeld und Reichtweite.

FLIR Scout III 320 vs. KEILER-25

Ein Praxisvergleichstest zwischen:
FLIR Scout III 320 und KEILER-25 Wärmebildoptik

Keiler-Flir-Vgl_w

1. Leistungsdatenvergleich
320 vs Keiler-25

2. Messung der Bildschärfe
Versuchsaufbau besteht aus einer beheizten Messplatte mit unterschiedlichen Konturen auf einer Betrachtungsdistanz von 50m:
distanz-setup_w
Die Bilddaten werden bei der FLIR Scout III 320 Optik per Videokabel auf einen externen Videorekorder übertragen. Bei der Keiler-25 Optik erfolgt die Bilddatenspeicherung per WiFi auf einem Smartphone.

a) Ergebnis mit 1-fach Zoom
FLIR-320-no-zoom_w  Keiler no zoom

b) Ergebnis mit 2-fach Zoom
FLIR-320-2-Zoom_w Keiler 2x zoom

3. Messung der Temperaturempfindlichkeit
Zur Darstellung der Temperaturempfindlichkeit bieten sich zwei Aufbauten an:
a) die Betrachtung von Nummernschildern auf “kurzer” Distanz. Die schwarzen Schildziffern können durch ihre unterschiedliche IR Abstrahlung, je nach Detektorempfindlichkeit, auf der jeweiligen Distanz gelesen werden.

nplate-setup_w2

b) Man simuliert die Betrachtung durch den “Bewuchs” mit einem Tarnnetz oder vgl..
Je nach Detektorempfindlichkeit kann die Wärmekontur dahinter mehr oder weniger erkannt werden.
Dieser Aufbau schien uns realitätsnäher und wurde hierbei verwendet.
man-covered_w2

FLIR-320-uncovered_w Keiler uncovered

FLIR-320-covered_w Keiler covered

Die jeweiligen Vergleichsbilder wollen wir nicht im einzelnen kommentieren und überlassen die Interpretation dem Betrachter, jedoch stellen wir fest, dass z.B die optische Vergrößerung sowie die Bildschärfe bei der FLIR Kamera nicht mit den zu erwartenden Leistungsdaten stimmig ist.
Es sei angemerkt, dass die Bildschärfe bei den per Kabel oder WiFi übertragenen Bildern unabhängig von der Dioptrieneinstellung des Okulares ist und somit nicht beeinflusst werden kann.

Fazit:
Aus unser Betrachtungsweise ist die Preisdifferenz zwischen den beiden Optiken von ca. 400 EUR nicht leistungstechnisch erkennbar und gerechtfertigt. Interessant ist auch, dass der FLIR VOx Detektor mit 17 micron Pitch von der theoretischen Seite her betrachtet besser performen sollte, dies konnten wir nicht mit unserem Versuchsaufbau darlegen.

Entscheidend zur Beurteilung des Gesamtleistung einer Optik ist, wie dieser Vergleich zeigt, nicht der einzelne Parameter z.B. der Pitchwert, sondern die Qualität des Gesamtsystems.
Beide im Test verwendeten Optiken werden in Asien hergestellt, jedoch liegt die Gesamtperformance in der Abstimmung der entscheidenden Komponenten und Software.
Wir raten daher, bevor Sie eine Wärmebildkamera erwerben, vergleichen und testen Sie mit Ihren eigenen Augen und verlassen Sie sich nicht alleinig auf Glanzprospekte und bekannte Marken.

Frage: 640×480 oder 320×240 Pixel Auflösung bei Vorsatzoptiken?

Welchen Vorteil haben Vorsatzoptiken mit 640×480 gegenüber 320×240 Pixel Auflösung?


Die Pixelanzahl alleine heisst rein GAR NICHTS::
Auflösung = pixel pitch / Brennweite (kleiner ist besser, Winkel/Pixel)
Gesichtsfeld = Pixelanzahl * pixel pitch / Brennweite * Abstand
(Gesichtsfeld = Sehfeld , Diagonale oder x oder y ist da egal – da wir hier nur von 640/320 sprechen ist es konkret auf die x-Achse bezogen, gilt aber in allen Richtungen)

Gehen wir mal von DEMSELBEN Objektiv aus, sowie von gleicher Pixelgröße.
Dann ist:
Auflösung (640)      = Auflösung (320)
Gesichtsfeld (640) = 2 * Gesichtsfeld (320)

Bei einem Clip-On wird jetzt das Gesichtsfeld sowieso nicht genutzt, daher bringt das grössere Gesichtsfeld der 640er Kamera nichts.
Beim Clip-On wird das Sehfeld vom Tageslicht-ZF gemacht, da da ja eine Vergrösserung drin ist, also vom Display der IR-optik nur ein kleiner zentraler Teil benutzt wird.
Ein **NUR** als clip-on benutztes IR-Gerät ist konstruktiv meist anders ausgelegt als ein allgemeines IR-Gerät für allgemeine Anwendungen. Bei einer 320er Kamera ist das Bild meist KLEIN gemacht, d.h. auch nur den zentralen Teil des Displays zu benutzen, bei DERSELBEN HOHEN AUFLÖSUNG für die man sonst eine 640er Kamera benötigen würde. Das Gerät ist dann aber eben NUR als Clip-On geeignet, es sei denn man verwendet bei Zoom x2
dann ein grösseres Display.

Vergleichen wir zwei Geräte, die GLEICHE WINKELAUFÖSUNG haben (d.h. Pixelsize/Brennweite ist gleich = gleiche Frontlinse!) und auch GLEICHE PIXELGRÖSSE IM DISPLAY:
a) 320-er Kamera: bei 1:1 elektronischem Zoom werden nur die zentralen 320 Pixel im Display benutzt.
Bei x2 Zoom wird jeder Pixel verdoppelt auf dem Display, d.h. wir haben jetzt halbe Auflösung, aber volles Gesichtsfeld verglichen mit dem 640er.
b) 640-er Kamera: bei 1:1 elektronischem Zoom werden volle 640 Pixel im Display benutzt, Sehfeld doppelt so groß wie bei 320er.
Bei 1/2 Zoom haben wir EXAKT das Bild der 320er Kamera.

Den Zoomprozeß zeigt das folgende Schaubild

Zomm_k

“Wer zoomen will braucht Pixel, vgl. PS beim PKW”
diese zeigt rechts anschaulich der folgende Youtube Film

Also ist für ein Clip-On die 320er Kamera gerade so gut.
Anders sieht das aus wenn die 640er Kamera ein Objektiv mit der DOPPELTEN Brennweite wie das Objektiv der 320er Kamera benutzt. Dann ist:
Auflösung(640) = Auflösung(320) / 2, also doppelt so gut
Gesichtsfeld(640) = Gesichtsfeld(320)
In diesem Falle ist die 640er Kamera doppelt so gut wie die 320er. Das macht man aber nur dann wenn man das Gesichtsfeld zu irgendwas mal braucht.
Durch Wahl der Brennweite dazwischen lässt sich auch jeder Zwischenzustand realisieren. Wenn es also um ein Gerät für die Anwendung ***NUR*** als Clip-on geht, d.h. wird für sonst NICHTS angewendet, dann ist die 320er Kamera gerade so gut; das entspricht auch dem zoom 1/2 bei der 640er Kamera.

Bildwiederholungsrate (HZ)
Diese hat, wie richtig erwähnt, nichts mit der Bildqualität zu tun, ABER ist für eine weidgerechte Bejagung umso wichtiger. Wer mit einer 9 Hz Clip-On Optik jagen geht, riskiert fatale „falsche“ Treffpunktablagen, da das Bild der Kamera nicht ein reales Bild darstellt (zeitverzögert). „Der Keiler zieht und der Schütze hingt hinter her..“ also finger weg von diesen Optiken!

Zusammengefasst
Mann kann sagen: Je kleiner der Pitch des Detektors, desto schärfer das Bild, dies ist grundsätzlich im optimierten Gesamtsystem begründet (neuere, bessere Fertigungsverfahren, Software, leistungsfähigere Komponenten etc., vgl. der PC Prozessoren).
ABER auch hier gibt es Ausnahmen, wie dieser Optikvergleich zeigt.

Wir bevorzugen und empfehlen 640×480 Pixel Optiken vor 320er, da diese:
a) einer neueren Entwicklungsgeneration entsprechen und
b) nach unseren Vergleichen zu 98% über eine bessere Leistung (Schärfe und Temperatursensibilität) verfügen.

Bei einer Wärmebildkamera kann nicht der einzelne Parameter zur Bestimmung der Gesamtleistung herangezogen werden. Entscheidend sind im wesentlichen:
Pixel Pitch des Detektors / Pixel Pitch sowie Pixelanhzahl des Displays / Brennweite / Linsenvergütung / Software / u.m.

Beispiel:
Ein PKW mit 6 Zylinder Motor aus dem Jahre 1980 fährt nicht so gut (Effizienz, Fahrgefühl etc., wie ein PKW mit 6 Zylinder aus dem Jahre 2017, dies liegt in der Optimierung des Gesamtsystems.
“17µm Optiken sind also nicht gleich 17µm Optiken” !

……..
Der Vorteil einer Wärmebildoptik gegenüber eines Restlichtverstärkers ist, dass Sie sofort mit Ihren eigenen Augen die Qualität der Optik erkennen können. Eine “Verschönung der Leistungsdaten” durch einen IR Aufheller ist nicht gegeben und erst recht nicht erforderlich.
Da Restlichtverstärker im jagdlichen Bereich zu 99% mit IR-Aufhellern eingesetzt werden,
ist nur die Röhrenkennzahl Linienpaare pro Millimeter (lp/mm) relevant. Aber diese Tatsache wird nur den wenigsten Kunden erklärt und somit viel Geld “aus dem Fenster geworfen” für Leistungsmerkmale die nie zum Einsatz kommen.

Die Röhren Generationsmogelei bei Restlichtverstärkeranbietern hat mittlerweile überhand genommen. Man könnte meinen, dass nur noch Umsatz über Super-Hyper-Extended-GenXY Phantasiebezeichnungen anstelle von klaren für den Anwender verständliche und messbare Leistungsdaten generiert werden kann.
……..

Unsere Empfehlung
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“You can’t depend on your eyes when your imagination is out of focus.” ~Mark Twain