连续变焦红外热像仪模块
在过去几十年里，红外（IR）传感器技术的发展推动了像素间距减小的重大创新，这使得固定视场（FOV）中波（MW）和长波（LW）热成像相机模块在尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）方面有了巨大改进。虽然此类发展为热成像开辟了众多新市场和应用领域——包括使用嵌入手机或无人机有效载荷的热成像模块，但像素尺寸与系统优化之间的关系比乍看起来要复杂得多。
毕竟，像素尺寸减小通常被认为是减小成像器件上像素的大小以及像素间距的过程，这会使图像分辨率提高并改善视觉质量。然而，在配备连续变焦（CZ）镜头的先进红外相机系统中，情况并非总是如此。
系统工程师在优化组件规格与系统性能时，需进行多层次权衡分析，以确保为应用选择最合适的设计方案，尤其是在与特定性能要求（如探测范围或热探测灵敏度）比SWaP-C更为关键的情况下。
表面上看，缩小像素间距的优势显而易见：当给定视场和分辨率要求时，焦平面阵列尺寸与有效焦距（EFL）可成比例缩减。然而这种简化模型忽视了实际应用中的多重技术限制，尤其在具备连续变焦能力的MWIR系统中更为显著。
以下关键因素使像素尺寸与系统性能之间的关系变得复杂。
1. 光学灵敏度悖论
较小像素单位面积光子捕获量减少，需采用更快的光圈系数补偿，导致系统体积反而与采用较大像素的系统相近甚至更大。对更快光圈系数的需求还会影响空间分辨率，当光圈系数低于f/3时，要实现衍射极限性能变得越来越困难且成本高昂。
2. 动态范围挑战
像素势阱容量减小直接影响系统动态范围表现，这在高温工作环境下尤为明显。
3. 制造工艺限制
像素尺寸缩减会导致量子效率下降、暗电流密度增加以及固定图案噪声增大，高温工况下这些效应会进一步加剧。高温运行意味着系统功耗更低、冷却时间更快、制冷器寿命更长。
4. 串扰控制难题
随着像素间距与扩散长度之比减小，像素间串扰抑制难度显著增加，导致调制传递函数（MTF）下降，系统整体性能降低。
对5μm/8μm/15μm三种像素间距的系统实际对比实验揭示，在设计配备10倍连续变焦镜头的系统中，若要保持等效空间分辨率与瞬时视场：5μm方案需采用更复杂的光学设计，系统体积与重量显著增加；8μm方案在成本维度具有优势；15μm方案在探测、识别和鉴定能力方面表现更佳。
像素尺寸减小的成本影响呈现非线性特征，当综合考虑光学元件和相机模块成本时，8μm像素间距对应的系统成本较5μm方案节省9%，15μm像素间距对应的系统成本较5μm方案节省19%。
这些发现挑战了“像素越小越好”的传统认知：尽管小像素可降低SWaP-C，但在需兼顾探测范围与灵敏度的场景中，较大像素间距方案通过简化光学设计实现了更优的性价比。
系统设计哲学需从单一参数优化转向多目标协同，最佳解决方案往往不在于追求尽可能小的像素尺寸，而在于找到能平衡光学性能、系统复杂度、成本和实际实施因素的最佳平衡点。8μm像素间距找到了成本最优解，而15μm系统在性能指标上表现出色，这充分说明了红外系统设计中各要素间复杂的相互作用。在红外成像系统中，像素尺寸与系统优化之间的关系远比简单的微型化所暗示的要复杂得多。
虽然在某些应用中（尤其是采用固定视场镜头的应用），较小的像素能够实现更紧凑的设计，但对于具备连续变焦能力的系统而言，它们往往会导致复杂度增加以及系统成本上升。最有效的方法是仔细评估每个应用的具体要求，并选择一种能在尺寸、重量、功耗、成本和性能之间实现最佳平衡的像素尺寸，这样才能确保热成像系统为其预期用途提供最佳的实用性与作战效能组合。
（天津津航技术物理研究所杨茗）
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