Инфракрасная подсветка при теленаблюдении — Как сделать самому?
Теленаблюдение в интересахобеспечения безопасности и охраны предполагаетполучение удовлетворительного изображенияобъекта при любых условиях освещенности. Этоотносится как к закрытым помещениям свыключенным, либо дежурным освещением, так иобъектам на открытом воздухе вне зависимости отрасположения зоны наблюдения, времени суток ипогодных условий. При использовании стандартнойтелевизионной техники неизбежным в этом случаеявляется использование искусственногоосвещения. Но даже для специальных иотносительно дорогих высокочувствительныхсистем ночного видения, позволяющихосуществлять телевизионное наблюдение приосвещенности порядка 0,001 лк, уже незначительнаяподсветка может существенно увеличить контрасти разрешение изображения.
Практически все современныетелекамеры выполнены на основесветочувствительных ПЗС-матриц. Характеристикаспектральной чувствительности матрицы, оптимизированная по кривой чувствительностиглаза, представлена на рис 1, что позволяетдостаточно корректно воспроизводитьотносительную яркость цветных фрагментовизображения в черно-белом варианте. На рис 2показано семейство типовых характеристикспектральной чувствительности некоторыхПЗС-матриц фирмы SONY.
Во многих случаях оптимальноиспользование обычного искусственногоосвещения видимого диапазона. Этопредпочтительно хотя бы потому, что позволяеттелекамере работать в максимуме еечувствительности (555 нм). Но имеется ряд задачскрытого видеонаблюдения и естественно в этомслучае использование освещения, невидимого дляглаза. Причем зачастую это не связано спроведением каких-либо специальных операций. Просто скрытая подсветка не привлекает вниманиек скрытой телекамере, что позволяет успешнеепротивостоять или скорее не попадаться на глазасовременным «интеллектуальным вандалам».
Рис. 1. Характеристикаспектральной чувствительности матрицы, оптимизированная по кривой
чувствительностиглаза
Рис. 2. Семейство типовыххарактеристик спектральной чувствительностинекоторых ПЗС-матриц фирмы SONY.
Необходимо выделить два случаяприменения инфракрасной (ИК) подсветки.
В первом случае требуется, какмаксимум, невидимость рассеянного или диффузноотраженного светового потока, но допустимодемаскирующее свечение самих источниковизлучения. При этом возможно примененияизлучателей с длинной волны 920, 880 и даже 850 нм.
Во втором — требуется безусловнаяневидимость самого излучателя, даже при прямомвизуальном наблюдении его с близкого расстояния. Для этого применяются излучатели с длинной волны940-950 нм
Необходимо отметить, что, несмотря награницу чувствительности глаза 700-750 нм, любойнаблюдатель через 5-10 мин. в полной темнотеоднозначно различает светящиеся излучатели дажес длиной волны 920-940 нм мощностью 20-40 мВт сугловыми размерами до 1,0 угловых минут. Механизмэтого явления не совсем ясен и, по-видимому, обусловлен фантастически высокойчувствительностью адаптированного глаза. Естественно видимость излучателей зависит отплотности мощности излучения, попадающего в глазнаблюдателя.
Все инфракрасные источники света длявидеонаблюдения можно разделить на две группы, различающиеся назначением, а, следовательно, характеристиками и конструктивным исполнением. К давно известным и широко распространеннымисточникам можно отнести различныеИК-прожекторы, фары и фонари, предназначенные дляосвещения объектов наблюдения, как на улице, таки внутри помещения. Скрытность подсветкиобеспечивается только в условиях темноты, да ито, для ряда излучателей — только на достаточнобольшой дальности, вследствие существенногосвечения в красной области спектра. Кроме того, их внешний вид однозначно ассоциируется сосветительным прибором. Как вариант полностьюскрытой подсветки с использованием осветителейможно предложить создание рассеянного световогопотока от потолка или специальных экранов сдиффузным отражением. Для этих случаевмаксимально эффективны широкоугольныеосветители с углами излучения до 80-90°. Осветителирасполагаются за карнизами, балками и другимиэлементами, скрывающими их от глаз наблюдателя.
Наиболее известными из подобныхприборов являются осветители с лампаминакаливания. Эффективность их достаточно высокавследствие спектрального максимума в области 1,0мкм для излучателя из вольфрама с температурой2800-3000°С. На рис 3 приведен типовой графикспектральной плотности вольфрамовой лампынакаливания. В основном в них используются лампыс галогенным циклом, имеющие отдельный иливстроенный отражатель. Прожекторы имеют, какправило, влагозащищенный корпус с ребрамиохлаждения и простейшими кронштейнами длякрепления и наведения по углу места. Онивыпускаются с напряжением питания 220, 110, 24 или 12 В. Для выделения ИК-области и подавления видимойчасти спектра излучения используютсядисперсионные фильтры на основе ИК-стекол (ИКС).На рис 4 приведены спектральные характеристикиряда ИКС. В редких случаях для решенияспециальных задач возможно применениеинтерференционных фильтров, но высокаястоимость, ограниченная стойкость и малаяэффективность в расходящихся пучках тепловыхнекогерентных источников существенноограничивает их применение.
Рис. 3. Типовой график спектральной плотности вольфрамовой лампы накаливания.
Рис. 4. Спектральныехарактеристики ряда ИКС.
В качестве примера в таблице 1представлены технические характеристикипрожекторов серии IR VEDEOSYS INTERNATIONAL иН5-1000 Hi-Harp
Таблица 1
Модель IR-VE-75 IR-TK-300 HS-1000A HS-1000B HS-1000C Длина волны, нм
830
840-1200 Угол излучения, угл. град
6-12; 18-25; 30-40
65+ 15
25+ 5
65+ 15 Дальность, м
до 100
30
50
100 Мощность, Вт
75
300
50
50
120 Ресурс, ч
—
—
2000
С появлением мощных и эффективныхсветодиодов все большее применение находятполупроводниковые ИК-осветители. К их основнымпреимуществам в сравнении с лампами накаливанияможно отнести большую спектральную яркость нарабочей длине волны, существенно больший ресурс, достигающий 100 тыс. часов и меньшую стоимость (сучетом эксплуатационных расходов). Основнойтехнической проблемой для полупроводниковыхИК-осветителей является обеспечениеэффективного отвода тепла от площадкисветодиода. От этого зависит допустимый ток исветовой поток единичного излучателя, а, следовательно, необходимое суммарное количествосветодиодов и в, конечном итоге, размеры исебестоимость всего прожектора. Для примера втаблицах 2, 3 и 4 представлены характеристикинекоторых ИК-прожекторов зарубежного иотечественного производства. Для российскихизделий углы излучения определены по уровню 0,5 отмаксимальной плотности мощности. Дальностьподсветки оценивается как порог распознаваниябелого поля на черном для телекамеры счувствительностью 0,1 лк на объекте.
Таблица 2
Модель
HS-1000LED
ИКП-90
ИКП-48-18/30
ИКП-98-25/30 Длина волны, нм
840
880+ 20
940
940 Угол излучения, угл. град
70
40
30
30 Дальность, м
15
15
18
25 Напряжение питания, В
~ 110/220
=12+ 0,5
=12+ 10%
=12+ 10% Мощность, Вт
12
10
6
12 Диапазон температур, С
-20/60
-30/40
-30/40
-30/40 Габариты, мм
103х130х159
112х86х42
110х75х35
110х100х50
Таблица 3
Модель
Луна -8
Луна-10
Луна-50 Длина волны, нм
870+ 20 Угол излучения, угл. град
20
40
80
20
40
80
20
40
80 Дальность, м
8-11
6-8
4-6
10-15
7-10
5-8
30
15
7 Напряжение питания, В
=11-14
=22-27 Мощность, Вт
8
10
50 Диапазон температур, С
-30/40 Габариты, мм
90х80х13
100х70х40
210х140х40
Прожекторы серии «Луна» представляютинтерес наличием встроенного стабилизаторатока, который обеспечивает малую зависимостьсветового потока от напряжения питания, длинылинии (сопротивления приводов) и количествадействующих излучателей (в случае их частичноговыхода из строя).
Таблица 4
Модель
ИКП-20
ИКП-40
ИКП-100 Длина волны, нм
850-960 Угол излучения, угл. град
40
90
40
60
10
20
25
35 Дальность, м
7-9
5-8
15-20
120
50-60
35-40
15-20 Напряжение питания, В
11,7-16 Мощность, Вт
10
20
20 Диапазон температур, С
—
—
— Габариты, мм
50х80х25
115х75х55
122х100х55
Модели ИКП-40 и ИКП-100 снабженыстабилизатором тока а, следовательно, имеютфиксированный световой поток в диапазонерабочих напряжений и температур. Диапазон длинволн 850-960 нм для изделий, указанных в таблице 4,означает, что производитель использует вконкретных образцах светодиоды на одну из длинволн этого диапазона.
При использовании полупроводниковыхИК-осветителей необходимо учитыватьдействительное значение длины волны, то естьвлияние изменения чувствительности телекамеры ирезультирующую дальность подсветки. На рис 5представлены спектральные характеристикитиповой ПЗС-матрицы и ИК-диодов.
Рис. 5. Спектральныехарактеристики типовой ПЗС-матрицы (I) и ИК-диодов(II, III).
Отечественный производитель, какправило, дает диапазон предельных дальностей. Содной стороны, это обусловленонеопределенностью методики нормирования, сдругой стороны — существенной зависимостьюполученной освещенности от отражательныххарактеристик объекта наблюдения и окружающеголандшафта на рабочей длине волны. В любом случаеподсветка ИК-излучением имеет некоторыеособенности. Это заметная размытостьизображения за счет изменения фокусногорасстояния в ИК-диапазоне при использованиитиповых объективов и снижение контрастности врезультате нивелирования коэффициентовотражения и поглощения различными материаламипри монохромным узкополосном освещении. Впростейших случаях для устранения эффектарасфокусировки при ИК-подсветке можноограничить спектральный диапазон телекамерыИК-областью, установив перед объективомИК-фильтр. Однако для сохранения требуемыххарактеристик в дневное время у камеры долженбыть практически десятикратный запас почувствительности. Естественно, более эффективноиспользовать специальную широкополосную оптику.
Кроме прожекторов, собранных надискретных элементах, получили распространениемалогабаритные излучатели, на основешестиэлементных светодиодных матриц с питающимнапряжением 12 В. Светодиоды матрицы разварены наедином металлическом основании, включеныпоследовательно и снабжены встроеннымбалластным резистором. Выпускается целый рядизлучателей в различном конструктивномисполнении и с углами излучения 160 ,120 ,40 и 20°.Снабженные радиатором, излучатели используютсяв качестве миниатюрных прожекторов, либовстраиваются в конструктивные элементы зданийили оборудования для скрытой подсветки. Технические характеристики излучателей сведеныв таблицу 5, внешний вид изделий представлен нафото 1.
Таблица 5
Модель
ИК6/20
ИК6/40
ИК6/120
ИК6/160 Длина волны, нм
880 или 920 Угол излучения, угл. град
20
40
120
160 Дальность, м
6-8
4-6
2-3
1-2 Напряжение питания, В
12+ 0,6 Мощность, Вт
2,5 Габариты, мм
15х25х12 для ИК6R; М10х20 для ИК6аR
Фото 1. Внешний видизлучателей, на основе шестиэлементныхсветодиодных матриц.
В последние годы в нашей стране всеболее широкое применение находятспециализированные устройства ИК-подсветки скамуфлированным внешним видом (патент РФ № 2134906).Основной причиной этого является, на наш взгляд, борьба с отечественным вандализмом и, уже впоследующую очередь, требования самойскрытности наблюдения. В практике развитых странподобные устройства не нашли широкогораспространения. По всей видимости, сказываетсяобщая законопослушность граждан, а возможно, инедостатки технического образования. Иначе, чеминым можно объяснить наименование «скрытаяИК-подсветка» для отчетливо светящихсяИК-светодиодов за прозрачным пластиковым окномвидеодомофона. Одним из вариантов»вандалозащищенного» осветительногоустройства скрытой подсветки для телевизионнойкамеры является плоская панель, в которойизлучатели спрятаны за непрозрачным в видимойобласти инфракрасным светофильтром. На этойпанели наносится надпись, пиктограмма или номерквартиры или офиса. Элементы надписи, пиктограммы, номера или знаки располагаютсятаким образом, чтобы не перекрывать излучение. Панель с ИК — фильтром имеет черный цвет, чтонесколько ограничивает ее применение. На светлыхи белых поверхностях может использоватьсяпластина со светофильтром молочного цвета, но вэтом случае потери излучения могут достигать30-50%. Другим вариантом камуфлированногоосветительного устройства является исполнение ввиде болта и резьбовой шпильки, в торцах которыхустановлены излучатели. На фото 2 представленыИК-осветители в виде номера квартиры, болта ишпильки. На фото 3 — их телевизионное изображениево включенном состоянии.
Фото 2. ИК-осветители ввиде номера квартиры, болта и шпильки.
Фото 3. Телевизионноеизображение ИК-осветителей во включенномсостоянии.
Технические характеристикикамуфлированных излучателей сведены в таблицу 6.
Таблица 6
Модель
ИК-Болт
ИК-Шпил.
ИКПл.880
ИКПл.940
ИКПл.950 Длина волны, нм
920/950
880
940
950 Угол излучения, угл. град
160
160
160
170
160 Дальность, м
1-2
2-4
1,5 -3 Напряжение питания, В
12+ 0,6 Мощность, Вт
2,5
5 Габариты, мм
М10х20
95х80х6
106х72х6
95х80х6
В заключение можно констатировать, чтоИК-подсветка является важным фактором повышенияэффективности скрытого видеонаблюдения прималой освещенности, а также средством борьбы сзадней засветкой. В качестве источниковизлучения все более широкое применение находятполупроводниковые светодиодные осветители, особенно для скрытой подсветки в ближней зоне. Втаких ситуациях применимы толькоспециализированные источники в камуфлированномисполнении, работающие на длине волны не более 940- 950 нм.
