ИК-подстветка в видеонаблюдении.

Известно несколько способов дополнительного освещения объектов при построении систем видеонаблюдения: используются камеры с высокой чувствительностью, в том числе камеры типа «день-ночь», инфракрасные подсветки, тепловизионная техника. Все эти способы, кроме преимуществ, имеют и недостатки.
Например, нередко достижение высокой чувствительности приводит к ухудшению других параметров видеокамер. В некоторых камерах реализован алгоритм, при котором при низкой освещенности считывается объединенный сигнал с 8 пикселей. Это приводит, по мнению разработчиков, к увеличению чувствительности еще в 10 раз. При этом разработчики признают снижение разрешающей способности в 8 раз. С целью увеличения чувствительности часто применяется так называемый режим накопления заряда, т. е. в сумерках камера работает при длительно открытой диафрагме или при длительно открытом электронном затворе. Диапазон электронного затвора указывается в секундах и составляет в настоящее время от 1/50 до 1/100 000 секунды. Это действительно позволяет увеличить чувствительность, однако быстродействие камеры существенно ухудшается.
Тепловизионная аппаратура очень дорогая и дает весьма своеобразное изображение, соответствующее распределению тепловых полей.
Современные инфракрасные подсветки, применяемые для систем видеонаблюдения, являются некоторым промежуточным звеном между тепловизионной техникой и камерами с высокой чувствительностью и представляют очень интересные устройства.
Инфракрасное излучение, применяемое для систем видеонаблюдения, относится к так называемой ближней области инфракрасного спектра. Видимое излучение, часто называемое светом, – это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Это излучение характеризуется длинами волн в диапазоне от 380 нм с энергией 3,1 эВ до 760 нм с энергией 1,6 эВ. То есть чем больше длина волны излучения, тем меньше его энергия.

Максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 555 нм, на который приходится максимум чувствительности глаза (рис. 1). Инфракрасное (не видимое человеческому глазу) или тепловое излучение делится на коротковолновое с длиной волны λ = 0,76–2,5 мкм (ближняя область ИК-спектра), средневолновое λ = 2,5–50 мкм и длинноволновое λ = 50–2000 мкм (дальняя область ИК-спектра).
Как всем хорошо понятно, организация ИК-подсветки состоит в грамотном подборе источников инфракрасного излучения и способных регистрировать это излучение приемников, при том чтобы система видеонаблюдения выполняла свои функции и при нормальном освещении.

Регистрация излучения ИК-подсветки
В полупроводниках при поглощении ими электромагнитного излучения (в том числе оптического) генерируются электроны. При внутреннем фотоэффекте для собственного поглощения энергия фотона должна быть не меньше ширины так называемой запрещенной зоны полупроводника (Eg ), т. е. для собственного поглощения фотонов с образованием электронно-дырочных пар, должно выполняться условие: h  Eg , где h – энергия фотона
- частота излучения (λ = с/ν)
h – постоянная Планка.
Длинноволновая граница фотопроводимости определяется соотношением:
λ = hc/ Eg=1,24/ Eg(эВ) (1)
Это максимальная длина волны излучения, которое будет поглощено полупроводником с данной шириной запрещенной зоны с образованием электронно-дырочных пар.
Из этого же соотношения следует, что человеческий глаз чувствителен только к излучению с энергией h эВ (λ мкм).

Исходя из этих соображений, для регистрации видимого излучения выбран кремний (Si) – один из самых распространенных на земле материалов, ширина запрещенной зоны которого составляет 1,1 эВ и максимум спектральной характеристики которого расположен на λ = 0,85 мкм – в ближней ИК-области. Фоточувствительные матрицы на его основе применяются в камерах видеонаблюдения. Именно возможность использования кремниевых матриц в качестве фоточувствительного элемента камер видеонаблюдения позволила сделать цены на это оборудование доступными для широкого применения.
На рис. 2 приведены спектральные характеристики обычной матицы фирмы Sony и матрицы Sony HAD. Из характеристик видно, что смещение максимума чувствительности на 50–60 нм привело к относительному увеличению чувствительности на основных длинах волн ИК-осветителей: 880 нм с 13–15 до 23–25% и 940–950 нм с 7–8 до 10–12% от максимума. При выборе видеокамер, работа которых предполагается с использованием ИК-подсветки, предпочтение следует отдавать камерам с матрицей SONY ExView HAD ПЗС, не из-за чувствительности вообще, а из-за повышенной чувствительности в ИК-диапазоне. С учетом общего увеличения чувствительности эти камеры более эффективны при использовании ИК-подсветки.

Необходимо наглядно проиллюстрировать еще одну немаловажную деталь. Для работы с ИК-подсветкой необходимо использовать черно-белые камеры. В случае применения камер типа «день-ночь», необходимо выбирать камеры с механическим ИК-фильтром. В обычных цветных камерах, предназначенных для работы днем при высокихе, установлены ИК-фильтры, защищающие чувствительный элемент от засветок. Результаты применения дневного сенсора для работы с ИК-подсветкой приведены на рис. 3. Фото сделано камерой Mobotix, имеющей два чувствительных элемента, в абсолютно темном коридоре только с ИК-подстветкой. Слева – ночной сенсор, справа – дневной.

Объективы для систем с ИК-подсветкой
Фокусные расстояния для ИК-излучения и видимого света несколько различаются, так как длина волны ИК-излучения больше, чем длина волны видимого излучения. Поэтому ИК-излучение имеет меньший показатель преломления, плоскость сфокусированного обычно размещается позади плоскости матрицы. Если днем изображение резкое, то в ночное время при использовании ИК-подсветки объекты на том же расстоянии будут не в фокусе. То есть некоторые части изображений, полученные в инфракрасном и видимом свете, могут оказаться расфокусированными. При прочих равных условиях этот эффект более заметен при использовании дешевой пластиковой оптики. Чтобы минимизировать этот эффект, применяются специальные объективы с ИК-коррекцией в черно-белых камерах и камерах «день-ночь», особенно в случае использования ИК-подсветки. Это дорогостоящие объективы. Принцип работы объектива с ИК-коррекцией приведен на рис. 3а.

Более практичное решение: настроить задний фокус объектива видеокамеры ночью при инфракрасном свете, в этом случае глубина резкости будет минимальна, а все объекты в фокусе. Днем глубина резкости увеличит зону резкости до большего диапазона, компенсируя разницу между фокусом при инфракрасном и нормальном свете. В случае использования черно-белой телекамеры с некоторым запасом по чувствительности возможно фильтром выделить только ИК-излучение и по нему осуществить фокусировку.
Для компенсации этих искажений можно использовать ручное или автоматическое изменение фокусировки объектива для различных режимов.

Инфракрасные излучатели для подсветки
В качестве инфракрасных излучателей применяются или галогенные осветители, или светодиоды и лазеры. Следует отметить, что при высокой мощности галогенного осветителя 300-500 Вт его срок службы невелик: 1000–2000 часов. ИК-светодиоды и лазерные ИК-диоды имеют существенно больший срок службы. Вообще ресурс службы твердотельных излучающих диодов существенно меньше, чем у всей остальной элементной базы, – это одна из немногих нерешенных проблем современной полупроводниковой электроники. И этот момент, конечно же, надо учитывать при выборе камеры.

Для ИК-подсветок часто применяются полупроводниковые светодиоды, имеющие максимум спектральной характеристики на длине волны 0,7 мкм и максимум на длине волны 0, 9 мкм. На рисунке 4 представлены относительные спектры излучения некоторых типичных светодиодов при комнатной температуре. Полупроводники, используемые для создания светодиодов определенного диапазона, имеют ширину запрещенной зоны больше этого значения. В настоящее время наиболее распространены светодиоды на основе арсенида галлия (GaAs), так как GaAs является наиболее технологически освоенным полупроводником.
В профессиональном лексиконе инсталляторов подсветка с максимумом на длине волны 0,7 мкм называется «видимой», а именно красной. Это не потому, что человеческий глаз вдруг увидел инфракрасное излучение, а потому что создать излучатель с монохроматическим спектром излучения невозможно. Спектральная характеристика любых излучателей включает в себя несколько длин волн. Излучение с длиной волны 0,7 мкм фиксируется человеческим глазом как красное, а рабочим инфракрасным излучением является область спектральной характеристики с длиной волны более 0,76 мкм.
Поясним подробнее уже упомянутый факт о некоторой размытости излучения светодиодов, а точнее, о наличии в спектре излучения светодиодов длин волн определенного диапазона. Этот эффект, как известно, отсутствует у полупроводниковых лазеров.

Излучение лазеров высокомонохроматично и создает строго направленный луч света. Лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямосмещенный диод, так называемый ток накачки. На рис. 5 приведены спектры излучения диодного лазера при токах накачки ниже порогового (светодиодный режим), вблизи порогового и выше порогового значений, иллюстрирующие эффект сужения полосы излучения при переходе к режиму лазерной генерации

Следовательно, если инсталлятору важна скрытость, незаметность ИК-подсветок, то надо выбирать невидимые подсветки, имеющие максимум на длине волны 0,9 мкм. Если это не столь важно, то можно применить ИК-подсветки, имеющие максимум спектральной характеристики на длине волны 0,7 мкм. Как и в любой технической проблеме, здесь существует вторая сторона вопроса. Согласно 1-й части всем хорошо известного соотношения (1), чем больше длина волны излучения, тем меньше его энергия. А значит, излучение с большей длиной волны при тех же равных условиях будет действовать на меньшее расстояние, охватывать меньший угол, чем излучение с меньшей длиной волны.
Таким образом, инфракрасная подсветка с меньшей длиной волны предпочтительнее с точки зрения эффективности подсветки. В то же время светодиоды (излучатели) с длиной волны менее 0,9 мкм заметны невооруженным глазом. Все это означает, что при применении ИК-подсветки на небольших расстояниях (до 10–15 м) с целью скрыть подсветку ИК-прожекторы с длиной волны излучения 0,7 мкм не всегда подходят, и приходится идти на компромисс между эффективностью (0,7 мкм) и скрытностью (0,9 мкм). При использовании инфракрасных прожекторов на больших расстояниях и при малых углах излучения важнее эффективность, так как визуально найти такие прожекторы затруднительно. Черно-белые видеокамеры, совместимые с ИК-подсветкой, видят в ИК-спектре, но несколько хуже, чем в видимом спектре, и с ростом длины волны их чувствительность уменьшается. Таким образом, инфракрасная подсветка с меньшей длиной волны предпочтительнее (с точки зрения эффективности подсветки).

В то же время светодиоды (излучатели) с длиной волны 0,7 мкм заметны невооруженным глазом.
При одинаковом ценовом уровне подсветка, действующая на большее расстояние, захватывает меньший угол. Подсветка с меньшей длиной волны имеет больший радиус действия или захватывает больший угол, чем подсветка с большей длиной волны для аппаратуры одинакового ценового диапазона. Это объясняется особенностями конструкции светодиодов. На рис. 6 приведена конструкция трех светодиодов ( а – полусфера, б – усеченная сфера, в – параболоид). На рис. 7 приведена диаграмма направленности излучения светодиодов (а – плоской геометрии, б – полусферической геометрии, в – параболической геометрии). Очевидно, что требуемая диаграмма направленности может быть получена за счет изменения геометрии прибора. Изучая формы диаграммы направленности, можно легко понять, почему ИК-подсветки обеспечивают или высокую дальность , или большой угол освещенности. Диаграмма направленности светодиодов различной конструкции имеет или вытянутую узкую форму, или плоскую широкую.

(Продолжение статьи и обозрение представленных на рынке встроенных в камеры и вынесенных ИК-прожекторов – «ИК – подсветка»)