НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИК-ПОДСВЕТКИ
Скрытое видеонаблюдение в условиях
недостаточной освещенности уже нельзя представить в настоящее время
без использования ИК-подсветки. Все более широко применяются ИК-осветители
с использованием светодиодных излучателей. За последние годы существенно
выросла эффективность и единичная мощность этих излучателей, что
позволяет им успешно конкурировать с осветителями на лампах накаливания
с галогенным циклом.
В современных ИК-осветителях используются
светодиоды с линиями генерации 870 – 880 и 940 – 950 нм. Учитывая
характеристику спектральной чувствительности типовых ПЗС-матриц,
представленную на рис. 1, наиболее эффективно использовать излучатели
с минимальной длиной волны. В этом случае снижение эквивалентной
чувствительности телекамеры минимально, а это позволяет увеличить
дальность подсветки. Кроме того эффект расфокусировки изображения
в результате изменения коэффициента преломления оптики, а с ним
и смещения фокальной плоскости объектива, так же минимален. Однако
отчетливое свечение светоизлучающих площадок светодиодов светло-красного
цвета может свести на нет все меры по скрытости наблюдения. Смещение
линии генерации в область 940 – 950 нм приводит к снижению интенсивности
видимого свечения площадок излучателей с одновременным смещением
цвета свечения к темно-вишневому. По всей видимости, меньшая видность
свечения связана в первую очередь с приближением видимой составляющей
к границе чувствительности глаза (750 нм). Это подтверждает и цвет
свечения, по которому можно оценить видимую составляющую как близкую
к 600 нм и 700 нм, соответственно для излучателей с длиной волны
870 – 880 нм и 940 – 950 нм. Долгое время многие специалисты пытались
объяснить феномен видности свечения ИК-диодов попаданием в область
чувствительности глаза высокочастотной части основного спектра излучения.
Светодиод по принципу действия является достаточно монохромным источником,
ширина спектра которого по уровню 0,5 не превышает 30 – 40 нм. При
этом не приходится рассчитывать на протяженные “хвосты” спектра,
которые могли бы попасть в область чувствительности глаза. Кроме
того, цветовое ощущение любого квалифицированного наблюдателя противоречило
этим предположениям. В тоже время, спектрограммы, прилагаемые производителями,
не содержали посторонних линий излучения.
Рис. 1.
Специальные измерения спектра излучателей
на основе матричного светодиода ИК-6 с длиной волны генерации 880
нм, проведенные на модернизированном спектрометре, однозначно зафиксировали
второй максимум в области 600 нм, составляющий порядка 0,0074 от
максимума интенсивности основного излучения на длине волны 870 –
880нм. Излучение с такой длиной волны имеет ярко красный цвет. По
всей видимости, механизм возникновения второго максимума для излучателей
на 940 и 950 нм аналогичен. Это косвенно подтверждается сдвигом
видимой составляющей свечения к вишневому цвету. На рис. 1 приведено
взаимное расположение спектральной характеристики ПЗС-матрицы (I)
основных спектров ИК-излучателей с длиной волны 880 нм (II) и 950
нм (III) и спектров паразитной видимой составляющей (II’) и (III’)
для каждого излучателя.
Применяя ИК-осветители, достаточно
сложно определить необходимую мощность подсветки для создания требуемой
освещенности на объекте наблюдения. Производитель как правило нормирует
потребляемую мощность, дальность подсветки и диаграмму направленности
ИК-осветителя. При этом угол раскрыва диаграммы направленности нормируется
чаще всего на уровне 1/2 от максимума мощности. Приводимая дальность
подсветки предполагает одновременное указание чувствительности телекамеры,
разрешения и отношения сигнал/шум, получаемого при этом изображения.
Критерием минимального качества изображения является отчетливое
различение неподвижной границы черного и белого полей на уровне
шума. Трудности нормирования ИК-подсветки, недостаточность указываемых
характеристик, а также нередкие случаи несоответствия реальных характеристик
заявленным привели к большому распространению экспериментального
метода подбора ИК-осветителей в реальных условиях непосредственно
на объекте монтажа.
Отсутствие данных о мощности излучения
не позволяет определить плотность мощности на объекте. Прямое измерение
мощности ИК-излучения затруднительно ввиду малой доступности измерителей
оптической мощности. Но даже при их наличии, прямые измерения проблематичны
вследствие несогласованности больших апертур световых пучков осветителей
и входных окон измерительных фотоприемников. С достаточной для практики
точностью можно оценить излучаемую мощность по потребляемой мощности
осветителя с учетом h (КПД) современных светодиодов, не превышающего
20 – 25%.
Диаграмма направленности светодиодных
ИК-осветителей, за редким исключением, формируется встроенными фоконами
самих светодиодов и имеет форму конуса. Величина угла раскрыва характеристики
нормируется, как правило, по уровню 1/2 относительно максимума,
расположенного по оси светового пучка. Примеры типовых характеристик
направленности с углами 40 и 80 угловых градусов приведены на рис.
2 и 3. В границах уровня 1/2 практически излучается от 65 до 80%
всей мощности, в зависимости от конструкции фокона, наличия дополнительного
отражателя и угла раскрыва характеристики.
Рис. 2.
Рис. 3
Чувствительность телекамер, как и
других оптико-электронных приборов работающих в видимой области
света, нормируется освещенностью (лк) или световым потоком (лм)
– фотометрическими величинами, характеризующими воздействие видимого
света на глаз человека. Световой поток – мощность светового излучения,
оцениваемая по его воздействию на глаз. В общем случае световой
поток источника света с равномерной спектральной плотностью в диапазоне
l 1 – l 2 равен:
где: к = 683; Рl – мощность излучения на длине
волны l ; y – функция видности глаза.
Для монохроматического излучения
в максимуме чувствительности глаза ( l
= 555 нм) для мощности излучения 1 Вт световой поток составит 683
лм.
Освещенность поверхности (Е) есть
отношение светового потока (Ф), падающего на нее, к ее площади (S).
Для достаточно удаленного источника световую волну можно считать
плоской. В этом случае при падении света на поверхность под углом
j выражение для среднего значения освещенности
имеет вид:
Учитывая вышеприведенное соотношение
для монохроматического излучения в максимуме чувствительности, запишем
выражение освещенности через мощность светового излучения:
При использовании ИК-подсветки для
видеонаблюдения можно рассматривать инфракрасный источник достаточно
узкополосным и монохромным. То есть с достаточной для практики точностью
можно считать всю мощность излучателя сосредоточенную в максимуме
его спектральной характеристики. По аналогии с интерпретацией взаимодействия
монохромного и белого света с глазом человека оценим создание эквивалентной
освещенности ИК-подсветкой для ПЗС-матрицы телекамеры с учетом ее
чувствительности в спектральной области подсветки. Усредненная типовая
спектральная характеристика чувствительности ПЗС-матрицы (I) приведена
на рис. 1.
Из графика видно, что чувствительность
телекамер для линий генерации распространенных светодиодных ИК-излучателей
с длиной волны 880 нм (II) и 950 нм (III) составляет около 14 и
5% от максимальной соответственно.
Площадь светового пятна на объекте
упрощенно рассчитывается по известному выражению площади основания
конуса, в данном случае светового, с учетом дальности подсветки
L и плоского угла раскрыва диаграммы направленности a
.
Для упрощения положим ортогональным
расположение оси светового пучка и плоскости объекта освещения.
Среднюю эквивалентную освещенность в световом пятне ИК-излучения
в пределах плотности мощности 0,5 от максимума для разных длин волн
можно оценить из следующего выражения:
где:
Рпотр – потребляемая мощность ИК-осветителя, Вт;
h – КПД осветителя (» 0,2);
Кl – для 880 нм » 0,14; для
950 нм » 0,05;
Кa – от 0,65 до 0,8;
L – дальность, м;
a – плоский угол раскрыва диаграммы направленности,
угл. град
Безусловно, получаемая оценка будет
весьма приблизительна, однако даже она позволит выявить явные несоответствия
заявленных параметров, которые нередко встречаются на рынке ИК-осветителей.
В заключение можно констатировать,
что устройства для ИК-подсветки являются эффективным средством обеспечения
скрытого видеонаблюдения при малой освещенности с использование
типовых телекамер. Отечественные производители этих изделий, если
не по объему производства, то по конструктивным решениям, достигнутым
техническим параметрам и естественно – ценам, могут уже сейчас составить
серьезную конкуренцию крупнейшим зарубежным фирмам.
Николай Чура
Статья предоставлена автором
|