Tendencias actuales en el desarrollo y uso de la iluminación infrarroja en cámaras de videovigilancia.

Sería bueno que una persona pudiera ver tan bien de noche como de día. Sin embargo, el utopismo de esta idea sólo puede rivalizar con la capacidad de desarrollar alas. Del mismo modo, crear una cámara que ofrezca el mismo color e imagen brillante de noche que de día sigue siendo el sueño de desarrolladores y consumidores. Parecería que la tecnología no se detiene y este, a primera vista, no es el mayor problema que debería resolverse, pero no, la calidad de la imagen nocturna ni siquiera se puede comparar con la imagen que proporcionan las cámaras durante el día. ¿Es posible obtener una imagen de una cámara en plena oscuridad durante la noche? Intentemos resolverlo.
Lo primero que me viene a la mente es iluminar el objeto observado con luz artificial, por ejemplo, lámparas de descarga de gas. ¿Qué pasa si el objeto tiene dimensiones lineales de 100 a 200 mo un área de aproximadamente 2000 m2? No es difícil imaginar que una empresa así no sería barata. ¿Hay otras formas? Sí: utilice dispositivos de iluminación infrarroja. Al mismo tiempo, se pueden matar dos pájaros de un tiro: reducir los costes potenciales, ahorrar en instalaciones de iluminación, costes energéticos y no crear exceso de luz, que tanto temen los luchadores contra la contaminación lumínica en Europa últimamente.
La esencia de la iluminación IR es iluminar el objeto observado en la oscuridad con una fuente de radiación infrarroja. La radiación infrarroja no es visible para el ojo humano, pero queda perfectamente registrada por las cámaras de televisión. En este caso, las longitudes de onda se seleccionan de modo que el espectro de radiación se encuentre en la zona del infrarrojo cercano (longitud de onda del orden de 800-1000 nm: el llamado rango del infrarrojo cercano), donde la sensibilidad de la matriz aún es suficiente para obtener una imagen monocromática. La sensibilidad de la cámara a la radiación del infrarrojo cercano permite utilizar iluminación IR (Fig. 1).

Fig. 1
La sensibilidad espectral de las matrices CCD caracteriza la dependencia de la sensibilidad de la matriz de la longitud de onda de la radiación recibida. En comparación con el ojo humano, la sensibilidad espectral de la mayoría de las cámaras suele ser más amplia y se extiende hasta el rango infrarrojo hasta longitudes de onda del orden de 1000 nm, a menos que se utilicen filtros especiales en la producción de matrices. Así, a diferencia del ojo, cuya sensibilidad espectral se limita al rango de radiación visible, la cámara, gracias a su dispositivo fundamentalmente diferente, también es capaz de registrar el rango cercano de radiación infrarroja. En la Figura 2 puede ver la diferencia entre la sensibilidad espectral de la matriz EXviewHAD y la habitual «no EXview». Se ve claramente que la sensibilidad de la matriz EXviewHAD en la región IR a partir de 740 nm es dos veces mayor que la de una convencional. En otras palabras, en la oscuridad, cuando se ilumina con luz IR de la misma intensidad, la imagen de la matriz HAD será mucho más detallada y contendrá menos ruido y, por el contrario, se logrará la misma calidad de imagen con la mitad de la iluminación. el objeto delante de la matriz HAD.

Arroz. 2 La sensibilidad espectral de las cámaras en color es más cercana a la del ojo humano. Esto se explica por las características de diseño de la matriz de color y el uso de un filtro de infrarrojos que corta la radiación infrarroja. El área de cada celda fotosensible de una cámara en color es varias veces menor que la de una cámara en blanco y negro, ya que cada una de estas celdas es una tríada que consta de tres subceldas fotosensibles correspondientes a los tres componentes de color de la imagen: azul , verde y rojo. En consecuencia, con los mismos tamaños de matrices en blanco y negro y en color, estas últimas tendrán un área de subcelda más pequeña. Además, cada subcelda de la matriz de color tiene su propio filtro de luz (verde, rojo o azul), que debilita el flujo de luz general dirigido a la matriz. Como resultado, las cámaras en color se caracterizan por una menor sensibilidad en comparación con las cámaras en blanco y negro y una falta de sensibilidad en la parte infrarroja del espectro.
Para las cámaras en color utilizadas en sistemas de vigilancia por televisión y que operan en la parte visible del espectro, se toman medidas especiales (uso de filtros infrarrojos) para limitar las características espectrales y llevarlas a la parte visible del espectro. Si no hay un filtro delante de la lente de la cámara que bloquee el espectro IR, el deterioro de la calidad de la imagen se notará inmediatamente: el contraste disminuye, aparecen ruido y distorsión del color. Las cámaras día-noche también utilizan una solución en forma de filtro IR mecánico: durante el día, cuando hay suficiente iluminación, se instala y la cámara dispara en el espectro visible, y por la noche, cuando no hay suficiente iluminación, la cámara cambia al modo blanco y negro, se retira el filtro y se enciende la iluminación IR.
Estructuralmente, un filtro de infrarrojos es una pequeña placa hecha de vidrio o cualquier polímero translúcido recubierta con una capa que absorbe la radiación IR. En última instancia, el filtro puede ser simplemente una fina película de material reflectante de infrarrojos aplicada a la óptica de la cámara o al propio CCD.
La Figura 3 muestra la transmitancia versus la longitud de onda de la luz de un filtro IR típico. Se puede ver que el rendimiento máximo (alrededor del 85-90%) se encuentra en el espectro visible y el mínimo en los rangos del infrarrojo cercano y ultravioleta, donde el espectro IR se debilita entre 10 y 15 veces.

Fig. 3

Principales propiedades y parámetros de los iluminadores de infrarrojos como parte de los sistemas de videovigilancia
Consideremos las principales características de los LED, que determinan los parámetros de los emisores de infrarrojos que contienen. Los dispositivos con radiación infrarroja tienen las mismas características que otras fuentes de luz. Uno de los principales parámetros que nos interesan en un LED es la longitud de onda de la luz IR emitida. Dado que las matrices CCD suelen tener una disminución de la sensibilidad al aumentar la longitud de onda hacia la región infrarroja, generalmente se eligen LED cuya emisividad principal se encuentra en una longitud de onda de 850 nm. Estos LED tienen un brillo rojizo en la oscuridad porque sus características espectrales caen parcialmente en el espectro visible. Los LED con una característica espectral máxima de 930 a 950 nm tienen una radiación completamente invisible. Si al organizar la videovigilancia no es necesario organizar iluminación IR oculta, entonces, por supuesto, no debe esforzarse por instalar iluminadores en el rango de 930 a 950 nm, ya que la sensibilidad de las matrices en esta área es menor que en el 830 –Rango de –850 nm.
La intensidad luminosa axial, medida en candelas, determina en gran medida otro parámetro: el alcance de la iluminación. El alcance de iluminación de un dispositivo completo compuesto por muchos LED se puede aumentar utilizando LED más potentes o aumentando su número. Sin embargo, aumentar el número de LED, así como aumentar la corriente que pasa a través de cada LED IR, conduce a un aumento en el rango de detección solo hasta cierto punto, alcanzando la llamada región de saturación. El rango de iluminación (Fig.4) se puede estimar, por ejemplo, como la distancia desde el emisor al plano vertical, determinada a partir de la condición de iluminación mínima de 2 lux, el punto de intersección del plano y el eje del emisor ( para una cámara con una sensibilidad no inferior a 0,1 lux).

Fig. 4

Determinación del rango de iluminación del emisor de infrarrojos.
Un iluminador de infrarrojos tiene una propiedad como la distribución del flujo de luz en el espacio, que se puede representar en forma de diagrama (Fig. 5) de la distribución espacial de la intensidad de la luz (diagrama direccional). Este diagrama muestra la proporción de energía emitida en una dirección seleccionada respecto de la intensidad total. En otras palabras, la eficacia con la que el emisor concentra la energía luminosa en la dirección deseada y, lo menos posible, la dispersa en otras direcciones. El ángulo de radiación de una fuente de luz se determina a partir del patrón de radiación como el ángulo formado por los rayos que emergen de una fuente puntual y pasan por los puntos de intersección del patrón de radiación y la línea que define el nivel de la mitad de la intensidad de luz axial relativa.

Fig. 5

Se puede construir un diagrama preciso de la distribución espacial de la intensidad de la luz utilizando un dispositivo especial: un goniómetro. Se puede obtener un patrón de radiación aproximado utilizando un fotosensor girándolo manualmente en un plano horizontal a lo largo del radio de un círculo en el centro del cual se encuentra el LED y registrando el nivel de salida y el ángulo de rotación del sensor. Sin embargo, no se puede contar con una alta precisión de este método.
Si no consideramos el emisor completo, sino solo un diodo individual, entonces un patrón de radiación típico será aproximadamente el siguiente (Fig. 6).

Fig. 6

Algunos fabricantes de LED proporcionan algo como esto o una imagen similar como representación gráfica del patrón de radiación del LED. Las desviaciones en la geometría de la lente, los errores introducidos durante la fabricación y el envejecimiento del material de la carcasa con el tiempo pueden afectar significativamente las propiedades ópticas de los LED (Figura 7). Vale la pena considerar que la desigualdad del patrón direccional del emisor de infrarrojos depende en gran medida del diseño del emisor, la calidad de su producción y el ángulo de radiación de los LED.

Fig. 7

Un tema de discusión aparte es la durabilidad de los LED o su tiempo entre fallas. Es deseable, por supuesto, que este tiempo no sea menor que la vida útil estimada de la cámara. La vida útil es un parámetro de rendimiento importante (y sensible) de las fuentes de luz semiconductoras. Aquí se pueden distinguir dos criterios: vida útil completa (hasta que el dispositivo falle por completo) y útil (hasta que el flujo luminoso caiga por debajo de un cierto límite). Al diseñar iluminadores de infrarrojos, no debemos olvidarnos de su funcionamiento posterior, en particular, la posibilidad de reemplazar la unidad de iluminación de infrarrojos en las cámaras de calle.

Las principales razones del fallo y acortamiento de la vida útil de los diodos IR
Degradación de la región activa
La emisión de luz en un LED se produce como resultado de la recombinación de portadores inyectados en la región activa. La nucleación y el crecimiento de defectos en la red cristalina de un semiconductor conducen a su degradación. Los procesos físicos que ocurren en un semiconductor (alta densidad de corriente inyectada y el consiguiente calentamiento del semiconductor) aceleran inevitablemente el desarrollo de un defecto. Pero dado que los defectos de la red cristalina están presentes en todos los dispositivos semiconductores, todos los LED son susceptibles a la degradación de la región activa. A ello contribuye en gran medida el aumento de la tensión de alimentación.
Degradación térmica
La cantidad de calor que se genera durante el funcionamiento de los LED IR requiere su instalación en un radiador. El sobrecalentamiento de un semiconductor conduce a un aumento en la concentración de portadores de carga no mayoritarios (electrones en la región p y huecos en la región n), formando una corriente inversa que depende en gran medida de la temperatura. Un aumento incontrolado de la temperatura puede provocar un fallo del semiconductor LED debido a una fuga térmica. El funcionamiento prolongado a temperaturas elevadas conduce a la destrucción térmica de la estructura cristalina del semiconductor debido a un aumento similar a una avalancha en el número de migraciones de átomos de una zona a otra.
Descarga electrostática
Los semiconductores son muy sensibles a las descargas electrostáticas. El daño por descarga electrostática puede manifestarse como una falla repentina o un daño interno que provoque una falla rápida durante el uso posterior. Según la normativa vigente, la sensibilidad de los LED a las descargas electrostáticas debe ser de al menos 100 V. La avería debida a una descarga estática puede ser un problema importante para los LED utilizados en iluminadores de infrarrojos, ya que el cable de alimentación puede acumular electricidad estática durante una tormenta, y los fabricantes Por lo general, no proporcionan ninguna vía de chispas para la iluminación IR.
De lo anterior se pueden extraer las siguientes conclusiones. Para aumentar la vida útil y evitar fallas de los LED infrarrojos (y de cualquier LED en general), es necesario observar las condiciones térmicas de su funcionamiento (usar aislamiento térmico de las unidades de iluminación IR, estabilizar el voltaje de suministro nominal) y brindar protección contra sobretensiones. causado por la electricidad estática.
La mayoría de los LED suministrados por la industria hoy en día se degradan en diversos grados a lo largo de varios años, aunque los fabricantes suelen garantizar una vida útil de aproximadamente 100.000 horas para sus LED, o alrededor de 11 años de funcionamiento continuo. Sin embargo, estos son sólo cálculos teóricos, que suponen que el diodo funcionará en condiciones de invernadero. En realidad, todo es mucho más complicado. El análisis de numerosos fallos de los dispositivos de iluminación IR nos permitió sacar las siguientes conclusiones. Quizás los factores más destructivos sean la baja calidad del montaje o la producción, la temperatura y la inestabilidad de la tensión de alimentación. La calidad del ensamblaje determina la vida útil en un 40 por ciento; las temperaturas extremas y elevadas reducen la vida útil del LED en otro 30%; la inestabilidad de la tensión de alimentación resta un 20% de la vida útil de diseño. Factores como defectos en la red cristalina del semiconductor, descargas electrostáticas, fatiga del material y todo tipo de tensiones mecánicas en el dispositivo tienen un efecto complejo en la vida útil del LED y no es posible tenerlos en cuenta, pero en conjunto proporcionan el 10% restante de confiabilidad.

La viabilidad de utilizar cámaras día-noche junto con iluminación IR incorporada
La videovigilancia nocturna que utiliza iluminadores IR LED separados en general y retroiluminación integrada (nuevamente LED) en las cámaras Todo en Uno es quizás el criterio más aceptable en términos de calidad/precio de imagen en comparación con las cámaras con acumulación y el uso de iluminación artificial. iluminación. Nuevamente, incluso si una cámara apilable produce una imagen estática de calidad similar, su uso cuando es necesario fotografiar objetos en movimiento no tiene ningún sentido debido a su capacidad de convertir objetos en movimiento en fantasmas translúcidos.
Si consideramos la observación utilizando iluminación IR como una alternativa a la observación utilizando iluminación artificial, entonces desde un punto de vista económico el primer método no tiene rival: el costo de los equipos de iluminación y el consumo de energía es varias veces (si no un orden de magnitud) mayor que el uso de cámaras con retroiluminación IR. Un cálculo sencillo: en un perímetro de 100 m se pueden instalar, por ejemplo, 3 linternas de 500 W cada una o 4-5 iluminadores IR de 10-15 W cada una; el ahorro es evidente.
La iluminación oculta no llama la atención sobre la cámara de vídeo oculta, lo que permite resistir con mayor éxito, por ejemplo, el robo deliberado de equipos.
También es necesario resaltar dos condiciones para el uso de iluminación IR. En primer lugar, el resplandor desenmascarador de las propias fuentes de radiación es aceptable. En este caso, es posible utilizar emisores con longitudes de onda de 920, 880 y 850 nm. Casi todos los LED que emiten en la región de 840 a 880 nm tienen un componente visible bastante intenso de color rojo claro, especialmente a corrientes máximas. En segundo lugar, se requiere una invisibilidad absoluta del propio emisor, incluso con observación visual directa a corta distancia. Para ello se utilizan emisores con una longitud de onda de 930 a 950 nm. Pero hay que tener en cuenta que la sensibilidad de la matriz CCD a longitudes de onda de 840 a 880 nm es mayor que a longitudes de onda de 930 a 950 nm, por lo que, en igualdad de condiciones, se recomienda el uso de iluminadores en el rango de 840 a 880 nm será preferible.
Cuando se trata de comparar la iluminación externa y los iluminadores IR integrados en la carcasa de la cámara, no todo está claro. Un iluminador de infrarrojos puede proporcionar un flujo de radiación más potente y uniforme, pero al mismo tiempo consume más energía, requiere instalación adicional y no es compacto. La iluminación incorporada es compacta, no requiere instalación adicional y es bastante económica. Pero bajo ciertas condiciones, la fuente de luz de fondo incorporada puede crear reflejos y destellos en la lente de la cámara, y la distribución espacial de la luz a menudo deja mucho que desear. Otro dato interesante: la coherencia de la iluminación y la cámara. En las cámaras todo en uno, por regla general, la unidad de infrarrojos y el filtro mecánico funcionan en conjunto: el encendido de la luz de fondo y la extracción del filtro se realizan simultáneamente. Si bien un iluminador de infrarrojos separado con un fotosensor incorporado puede encenderse después de quitar el filtro de la cámara, durante algún tiempo la cámara «se quedará ciega» en la oscuridad. Consideremos, como ejemplos de implementación de cámaras Todo en Uno, varias soluciones estándar presentes en el mercado actual.
El tipo más simple de cámara con iluminación IR no se puede llamar de otra manera que un juguete: 6 LED tienen una potencia de emisión baja y un patrón de radiación inconsistente, por lo que dicha iluminación es efectiva a una distancia de más de 2-3 m, y solo para el parte central del marco. Hoy en día, las cámaras en carcasas son bastante comunes. Detrás del cristal común de la cámara hay un iluminador que consta de varias docenas de diodos IR. Este cristal tiene la principal desventaja de este diseño: parte de la radiación IR inevitablemente entrará en la lente debido a todo tipo de reflejos dentro de la carcasa; y cuanto mejor encajen las piezas de la cámara y el parasol protector de la luz, menos iluminación habrá.
Pueden surgir problemas aún mayores con la iluminación durante el funcionamiento de cámaras domo selladas externas con iluminación IR incorporada. Con tales cámaras, es difícil lograr un contacto estrecho entre la lente y la cúpula hemisférica, y la cúpula en sí es un hemisferio monolítico, en el que las partes del vidrio común que cubre la lente y la unidad de iluminación de fondo no están separadas de ninguna manera para Evite que la cámara quede expuesta a la luz. Después de un tiempo, el polvo y la suciedad depositados en la cúpula se convertirán en una fuente adicional de iluminación, reflejando la luz infrarroja de regreso a la lente, y después de un par de meses el consumidor se quedará perplejo al observar el brillo del vidrio sucio en lugar de la imagen.
Otro factor negativo de la iluminación incorporada es la retrodispersión perturbadora del entorno con alta densidad: nieve o lluvia. El método más sencillo para minimizarlo es utilizar iluminación distribuida: iluminadores individuales que crean un campo de luz uniforme en el área de visión de la cámara.
En general, podemos concluir que, a pesar de toda la conveniencia de utilizar la iluminación IR incorporada para cámaras de televisión, solo se puede recomendar para resolver tareas simples y no muy importantes. En los casos en los que se imponen mayores exigencias a la videovigilancia durante la noche o en condiciones de poca luz, lo más justificado es el uso de iluminadores separados con patrones direccionales acordes con el campo de visión de la cámara. Del mismo modo, para crear un flujo de luz relativamente uniforme y reducir la retrodispersión del entorno, es recomendable utilizar iluminadores externos ubicados al lado (generalmente simétricamente a los lados) de la cámara.
Recientemente, los fabricantes de cámaras callejeras todo en uno, frente a la competencia por el mercado, han estado mejorando la calidad de disparo de la cámara en modo nocturno cuando se utiliza iluminación infrarroja. Una de estas áreas es el uso de tecnología de retroiluminación adaptativa, diseñada para nivelar la iluminación de los sujetos ubicados cerca de la cámara. Su esencia es simple: según el nivel de iluminación del objeto observado, se ajusta la intensidad de la luz del iluminador de infrarrojos incorporado, es decir, se forma una especie de retroalimentación óptica entre la matriz y la unidad de retroiluminación.

Resumamos. La mejor forma de implementar videovigilancia por la noche y en condiciones de poca luz es utilizar focos e iluminadores IR externos. Los sistemas todo en uno que utilizan iluminadores de infrarrojos simples son quizás la mejor opción si se considera la relación calidad-precio. Además, la industria no se queda quieta y ofrece nuevas soluciones viables, como, por ejemplo, la iluminación adaptativa. Y esto nos permite esperar que los sistemas todo en uno, a pesar de sus desventajas inherentes, gocen de gran popularidad en el futuro previsible.

Literatura Chura N. I. Algunos aspectos del uso de iluminación IR en videovigilancia //Equipos especiales. 2002. No. 3. Págs. 35–39. Chura N. I. Algunos aspectos del uso de iluminación IR en videovigilancia //Equipos especiales. 2003. Núm. 5, págs. 35–38. Nikiforov S.G. Problemas, teoría y realidad de los LED para sistemas modernos de visualización de información de la más alta calidad //Componentes y Tecnologías. 2005. No. 5. Págs. 48–57. Nikiforov S.G. ¿Por qué los LED no siempre funcionan como quieren sus fabricantes? //Componentes y tecnologías. 2005. Núm. 7, págs. 16-24.