Iluminación IR en videovigilancia.

Existen varias formas conocidas de iluminar objetos adicionalmente en la construcción de sistemas de videovigilancia: se utilizan cámaras con alta sensibilidad, incluidas cámaras diurnas y nocturnas, iluminación infrarroja y equipos de imágenes térmicas. Todos estos métodos, además de ventajas, también tienen desventajas.
Por ejemplo, lograr una alta sensibilidad a menudo conduce a un deterioro de otros parámetros de las cámaras de video. Algunas cámaras implementan un algoritmo en el que la señal combinada de 8 píxeles se lee en condiciones de poca luz. Esto conduce, según los desarrolladores, a un aumento de la sensibilidad otras 10 veces. Al mismo tiempo, los desarrolladores admiten que la resolución se reduce 8 veces. Para aumentar la sensibilidad, a menudo se utiliza el llamado modo de acumulación de carga, es decir, al anochecer, la cámara funciona con la apertura prolongada o con el obturador electrónico abierto prolongadamente. El rango del obturador electrónico se especifica en segundos y actualmente oscila entre 1/50 y 1/100.000 de segundo. Esto aumenta la sensibilidad, pero el rendimiento de la cámara se degrada significativamente.
Los equipos de imágenes térmicas son muy caros y producen una imagen única correspondiente a la distribución de los campos térmicos.
La iluminación infrarroja moderna, utilizada para los sistemas de videovigilancia, es una especie de vínculo intermedio entre los equipos de imágenes térmicas y las cámaras de alta sensibilidad y son dispositivos muy interesantes.
La radiación infrarroja utilizada en los sistemas de videovigilancia pertenece al llamado espectro del infrarrojo cercano. La radiación visible, a menudo llamada luz, es radiación electromagnética percibida por el ojo humano. Esta radiación tiene longitudes de onda que van desde los 380 nm con una energía de 3,1 eV hasta los 760 nm con una energía de 1,6 eV. Es decir, cuanto mayor es la longitud de onda de la radiación, menor es su energía.

El máximo del espectro continuo de radiación solar se ubica en el Región «verde» de 555 nm, que representa la máxima sensibilidad del ojo (Fig. 1). La radiación infrarroja (no visible para el ojo humano) o térmica se divide en radiación de onda corta con una longitud de onda λ = 0,76–2,5 µm (cerca de IR), onda media λ = 2,5–50 µm y onda larga λ = 50–2000 µm (región IR lejana).
Como todos saben, la organización de la iluminación por infrarrojos consiste en una selección competente de fuentes y receptores de radiación infrarroja capaces de registrar esta radiación, de modo que el sistema de videovigilancia realice sus funciones incluso con iluminación normal.

Registro de radiación de iluminación IR
En los semiconductores, cuando absorben radiación electromagnética (incluida la radiación óptica), se generan electrones. Con el efecto fotoeléctrico interno, para la autoabsorción, la energía del fotón debe ser al menos el ancho de la llamada banda prohibida del semiconductor (Eg), es decir, para la autoabsorción de fotones con la formación de un hueco de electrón. pares, se debe cumplir la condición: h  Por ejemplo, donde h – energía del fotón
- frecuencia de radiación (λ = s/ν)
h – Constante de Planck.
El límite de fotoconductividad de onda larga está determinado por la relación:
λ = hc/Por ejemplo=1,24/Por ejemplo(eV) (1)
Esta es la longitud de onda máxima de radiación que será absorbida por un semiconductor con una banda prohibida determinada para formar pares electrón-hueco.
De la misma relación se deduce que el ojo humano es sensible sólo a la radiación con energía h eV (λ μm).

Basándose en estas consideraciones, se eligió el silicio (Si) para registrar la radiación visible, uno de los materiales más comunes en la Tierra, cuya banda prohibida es de 1,1 eV y cuya característica espectral máxima se encuentra en λ = 0,85 µm – en la región del IR cercano. Las matrices fotosensibles basadas en él se utilizan en cámaras de videovigilancia. Es la posibilidad de utilizar matrices de silicio como elemento fotosensible de las cámaras de videovigilancia lo que ha hecho que los precios de este equipo sean asequibles para su uso generalizado.
En la figura. La Figura 2 muestra las características espectrales de una matriz Sony convencional y una matriz HAD de Sony. De las características se desprende claramente que un cambio en la sensibilidad máxima de 50 a 60 nm condujo a un aumento relativo de la sensibilidad en las principales longitudes de onda de los iluminadores de infrarrojos: 880 nm de 13 a 15 a 23 a 25% y 940 a 950 nm de 7–8 a 10–12 % del máximo. Al elegir cámaras de video que se supone que funcionan con iluminación IR, se debe dar preferencia a las cámaras con una matriz CCD SONY ExView HAD, no por la sensibilidad en general, sino por la mayor sensibilidad en el rango de IR. Dado el aumento general de la sensibilidad, estas cámaras son más eficientes cuando utilizan iluminación IR.

Es necesario ilustrar claramente un detalle más importante. Para trabajar con iluminación IR, debe utilizar cámaras en blanco y negro. Cuando se utilizan cámaras diurnas y nocturnas, es necesario elegir cámaras con filtro IR mecánico. En las cámaras en color normales diseñadas para funcionamiento diurno a altas temperaturas, se instalan filtros de infrarrojos para proteger el elemento sensible de la exposición a la luz. Los resultados del uso de un sensor diurno para trabajar con iluminación IR se muestran en la Fig. 3. La foto fue tomada con una cámara Mobotix, que cuenta con dos elementos sensibles, en un pasillo completamente oscuro y únicamente con iluminación IR. A la izquierda hay un sensor nocturno, a la derecha hay un sensor diurno.

Lente para sistemas con iluminación IR
Las longitudes focales de la luz IR y la luz visible son ligeramente diferentes porque la longitud de onda del IR es más larga que la longitud de onda de la luz visible. Por tanto, la radiación IR tiene un índice de refracción más bajo; el plano enfocado suele estar situado detrás del plano de la matriz. Si la imagen es nítida durante el día, por la noche, cuando se utiliza iluminación IR, los objetos a la misma distancia estarán desenfocados. Esto significa que algunas partes de las imágenes tomadas en luz infrarroja y visible pueden aparecer desenfocadas. En igualdad de condiciones, este efecto es más notable cuando se utilizan ópticas de plástico baratas. Para minimizar este efecto, se utilizan lentes especiales con corrección de infrarrojos en las cámaras en blanco y negro y de día y noche, especialmente cuando se utiliza iluminación por infrarrojos. Estas son lentes caras. El principio de funcionamiento de una lente con corrección IR se muestra en la Fig. 3a.

Una solución más práctica: ajustar el enfoque posterior de la lente de la cámara de vídeo por la noche bajo luz infrarroja, en cuyo caso la profundidad de campo será mínima y todos los objetos estarán enfocados. Durante el día, la profundidad de campo aumentará el área de enfoque a un rango mayor, compensando la diferencia entre el enfoque en luz infrarroja y normal. Si utiliza una cámara de televisión en blanco y negro con cierta reserva de sensibilidad, es posible utilizar un filtro para aislar únicamente la radiación IR y enfocarla.
Para compensar estas distorsiones, puede utilizar el enfoque de lente manual o automático para diferentes modos.

Emisores de infrarrojos para iluminación
Como emisores de infrarrojos se utilizan iluminadores halógenos o LED y láseres. Cabe señalar que con una iluminación halógena de alta potencia de 300-500 W, su vida útil es corta: 1000-2000 horas. Los LED IR y los diodos láser IR tienen una vida útil significativamente más larga. En general, la vida útil de los diodos emisores de estado sólido es significativamente menor que la del resto de la base de elementos; este es uno de los pocos problemas sin resolver de la electrónica semiconductora moderna. Y este punto, por supuesto, hay que tenerlo en cuenta a la hora de elegir una cámara.

Para la iluminación por infrarrojos, a menudo se utilizan LED semiconductores, que tienen una característica espectral máxima a una longitud de onda de 0,7 micrones y un máximo a una longitud de onda de 0,9 micrones. La Figura 4 muestra los espectros de emisión relativos de algunos LED típicos a temperatura ambiente. Los semiconductores utilizados para crear LED de un determinado rango tienen una banda prohibida mayor que este valor. Actualmente, los LED más comunes se basan en arseniuro de galio (GaAs), ya que GaAs es el semiconductor tecnológicamente más avanzado.
En el léxico profesional de los instaladores, la iluminación con un máximo de longitud de onda de 0,7 micrones se denomina «visible», es decir, roja. Esto no se debe a que el ojo humano haya visto de repente radiación infrarroja, sino a que es imposible crear un emisor con un espectro de radiación monocromático. Las características espectrales de cualquier emisor incluyen varias longitudes de onda. El ojo humano registra la radiación con una longitud de onda de 0,7 micrones como roja, y la radiación infrarroja de trabajo es la región de la característica espectral con una longitud de onda de más de 0,76 micrones.
Expliquemos con más detalle el hecho ya mencionado sobre cierta borrosidad de la radiación LED, o más precisamente, sobre la presencia de longitudes de onda de un cierto rango en el espectro de la radiación LED. Se sabe que este efecto está ausente en los láseres semiconductores.

La radiación láser es altamente monocromática y crea un haz de luz estrictamente dirigido. La radiación láser se produce directamente bajo la influencia de la corriente que fluye a través de un diodo polarizado directamente, la llamada corriente de bombeo. En la figura. La Figura 5 muestra los espectros de emisión de un láser de diodo con corrientes de bombeo por debajo del umbral (modo LED), cerca del umbral y por encima de los valores umbral, lo que ilustra el efecto del estrechamiento de la banda de emisión al pasar al modo láser.

Por lo tanto, si el instalador está interesado en el secreto y la invisibilidad de la iluminación IR, entonces es necesario elegir una iluminación invisible que tenga un máximo de longitud de onda de 0,9 micrones. Si esto no es tan importante, entonces se puede utilizar iluminación IR, que tiene una característica espectral máxima a una longitud de onda de 0,7 µm. Como ocurre con cualquier problema técnico, la cuestión tiene una segunda cara. Según la primera parte de la conocida relación (1), cuanto mayor es la longitud de onda de la radiación, menor es su energía. Esto significa que la radiación con una longitud de onda más larga, en las mismas condiciones iguales, actuará en una distancia más corta y cubrirá un ángulo más pequeño que la radiación con una longitud de onda más corta.
Por tanto, es preferible la iluminación infrarroja con una longitud de onda más corta en términos de eficiencia de iluminación. Al mismo tiempo, los LED (emisores) con una longitud de onda inferior a 0,9 micrones son visibles a simple vista. Todo esto significa que cuando se utiliza iluminación IR a distancias cortas (hasta 10-15 m) para ocultar la iluminación, los iluminadores IR con una longitud de onda de radiación de 0,7 micrones no siempre son adecuados y se debe hacer un compromiso entre la eficiencia (0,7 µm) y sigilo (0,9 µm). Cuando se utilizan focos infrarrojos a largas distancias y con pequeños ángulos de radiación, la eficiencia es más importante, ya que es difícil encontrar dichos focos visualmente. Las videocámaras en blanco y negro compatibles con iluminación IR ven en el espectro IR, pero algo peor que en el espectro visible, y su sensibilidad disminuye a medida que aumenta la longitud de onda. Por tanto, es preferible la iluminación infrarroja con una longitud de onda más corta (desde el punto de vista de la eficiencia de la iluminación).

Al mismo tiempo, los LED (emisores) con una longitud de onda de 0,7 micrones son visibles a simple vista.
Al mismo nivel de precio, la retroiluminación, que funciona a mayor distancia, capta un ángulo menor. Una luz de fondo con una longitud de onda más corta tiene un alcance más largo o captura un ángulo mayor que una luz de fondo con una longitud de onda más larga para equipos en el mismo rango de precio. Esto se debe a las características de diseño de los LED. En la figura. La Figura 6 muestra el diseño de tres LED (a – hemisferio, b – esfera truncada, c – paraboloide). En la figura. La Figura 7 muestra el patrón de radiación de los LED (a – geometría plana, b – geometría hemisférica, c – geometría parabólica). Obviamente, el patrón de radiación requerido se puede obtener cambiando la geometría del dispositivo. Al estudiar las formas de los patrones de radiación, es fácil comprender por qué los iluminadores IR proporcionan un ángulo de iluminación amplio o de largo alcance. El patrón de radiación de los LED de varios diseños tiene una forma alargada y estrecha o una forma plana y ancha.

(Continuación del artículo y revisión de los iluminadores IR integrados y remotos del mercado — “Iluminación IR”)