Инфракрасное освещение для камер видеонаблюдения

Выбор инфракрасной подсветки

Выбирая инфракрасную подсветку для системы видеонаблюдения необходимо ориентироваться на три основных параметра:

1. Длина волны.
2. Угол излучения.
3. Дальность действия.

Длина волны

Уникальность устройств ИК-подсветки заключается в работе светодиодов инфракрасного излучения, с характерной длиной волны 800 нм, 845 нм, 870 нм, 940 нм, 950 нм. За счёт того, что ИК-светодиоды не обеспечивают излучение с определённой длиной волны, получается инфракрасных прожекторов и встроенных инфракрасных подсветок заходят в диапазон видимого света:

830 нм — слабо видны. 870 нм — мало заметны. 950 нм – невидимы.

Таким образом, чем сильнее длина волны, тем менее заметно действие устройства и выбор подсветки определяется в соответствии с конкретными задачами реализации видеонаблюдения.

1. Если при монтаже системы видеонаблюдения основным фактором является скрытность устройств, то следует выбирать видеокамеры с параметром длины волны 940-950 нм. Такие подсветки излучают инфракрасный свет, который абсолютно не заметен человеческому глазу. Но в тоже время, следует учитывать, что чем больше будет характеристика длины волны инфракрасной подсветки, тем слабее будет светочувствительность камеры, в особенности, если используются дешёвые устройства. Данный факт никак не обозначается производителями камер видеонаблюдения и ИК-подсветок, но уже не раз был определён испытаниями.Это значит, что устройства для инфракрасного подсвечивания с длиной волны 940-950 нм идеальным образом подойдут для скрытого видеонаблюдения, но с небольшим захватом, в пределах 10-15 метров.
2. Если приоритетной задачей для системы видеонаблюдения является дальность обзора, а незаметность видеонаблюдения не важна, с учётом тёмного времени суток, то следует отдать предпочтение инфракрасным прожекторам, обладающим длиной волны 790-820 нм. Их излучения немного заметно, но и дальность подсветки весьма обширная (в зависимости от количества диодов).
3. Инфракрасные прожекторы с волнами излучения длиной 870-880 нм являются неким средним звеном, которое наиболее часто используется в стандартных системах видеонаблюдения. С помощью такой ИК-подсветки можно добиться хорошей дальности обзора и обеспечить оптимальную конфиденциальность съёмки, так как спектр излучения является слабо видимым человеческому глазу.

Угол излучения

Угол излучения – характерная величина, которая прямым образом зависит от кривизны отражающего купола линзы. Именно поэтому, угол излучения можно установить самостоятельно, изменяя форму отражающего купола. При уменьшении телесного угла происходит увеличение силы излучаемого света инфракрасным прожектором, а это приводит к увеличению дальности обзора, но уменьшению его ширины. ИК-подсветки, обеспечивающие большое расстояние захвата имеют меньший угол. Если длина волны небольшая, то радиус действия (ширина) подсветки больше.

Наилучший результат качества съёмки обеспечивают инфракрасные подсветки, действующие на небольшие расстояния, особенно в совокупности с объективом, обладающим малым фокусным расстоянием (также преобладает ширина захвата). Самыми практичным считаются ИК-прожекторы с оптимальным радиусом излучения, который равен 40-70 градусам по горизонтали.

Дальность действия

Дальность действия – это величина, которая определяется возможностью видимости точной фигура объекта и/или разборчивости лица. Другими словами, дальность – это расстояние, на котором отчётливо видно лицо и фигуру человека.

Дальность обнаружения напрямую зависит от длины волны, мощности и количества светодиодов, угла излучения ИК-подсветки, формы светоотражающей линзы, чувствительности камерной матрицы и установленного объектива.

Таким образом, дальность обозрения – это не характерный параметр ИК-подсветки, а общее соотношение связующих характеристик излучателя и видеокамеры. Увеличить дальность обнаружения можно различными методами, например, поменять оптику, добавить в ИК-прожектор дополнительные светодиоды, изменить форму светоотражающей линзы прожектора, однако дальность может увеличиваться до определённого момента. Существует определённый предел, за рамками которого увеличение дальности становится слишком дорогостоящим и абсолютно неэффективным, поскольку достигается предел насыщения.

Сравнительные характеристики различных видов ИК-прожекторов

Заместитель директора по развитию Андреев Кузьма.

Иммерсионные светодиоды серии Sr/Su/Cy, KM

Конструкция: Флип-чип с выводом излучения через n+-InAs подложку; Глубокая меза с наклонными стенками, выполняющими фунцию рефлекторов; Оптическое сопряжение чипа с иммерсионной линзой; Просветляющее покрытие Si иммерсионной линзы. Смонтированы в винтовом (Sr), цилиндрическом (Su) корпусах или на ТО8 с термоэлектрическим охладителем.

Преимущества: Увеличение выходной мощности до 3 раз, сужение расходимости пучка до 15о

Длина волны в максимуме чувствительности	Мощность в непрерывном режиме (I=0.2 A)	Мощность в квазинепрерывном режиме	Мощность в импульсном режиме (I=1A)	Напряжение	Расходимость	Спецификация
λ макс, мкм	PCW, мВт	PqCW, мВт	PPULSED, мВт	U, В	F, град.	pdf
1.9	≥0.6	≥2	≥6	0.5÷1.2	~15	LED19Su/Sr
2.1	≥1.2	≥3	≥10	0.5÷1.2	~15	LED21Su/Sr
2.8	≥0.03	≥0.05	≥0.15	0.3÷0.5	~15	LED28
3.0	≥0.03	≥0.05	≥0.15	0.3÷0.5	~15	LED30
3.4	≥0.15	≥0.23	≥0.4	0.3÷0.5	~15	LED34
3.6	≥0.11	≥0.15	≥0.3	0.3÷0.5	~15	LED36
3.8	≥0.08	≥0.12	≥0.25	0.3÷0.5	~15	LED38
4.2	≥0.025	≥0.035	≥0.06	0.3÷0.5	~15	LED42
4.7	≥0.005	≥0.008	≥0.02	0.3÷0.5	~15	LED47
5.0	≥0.005	≥0.008	≥0.02	0.3÷0.5	~15
5.5	≥0.0025	≥0.004	≥0.01	0.3÷0.5	~15	LED55
7.0	≥0.001	≥0.0016	≥0.01	1.3÷2.1	~15	LED70

Определение ИК-подсветки и ее необходимость

ИК-подсветка предназначена для ночного видеонаблюдения, так как сама по себе камера в темноте не различает предметы

При попадании солнечного света на объектив часть излучения поглощается, а часть отражается. Сенсоры улавливают отраженное излучение и регистрируют. Затем в обрабатывающем модуле сигнал форматируется в цифровой и в таком виде записывается или передается на устройство. Однако у такой системы есть недостатки: когда уровень освещения становится слишком низким, разница между поверхностями и объектами оказывается слишком маленькой и сенсоры ее не улавливают. В темноте устройство беспомощно.

Инфракрасная подсветка для камер эту проблему решает. Устройство испускает инфракрасное излучение. Для человеческих глаз оно невидимо, однако сенсоры улавливают отраженный сигнал и фиксируют, формируя изображение по обычной схеме.

Качество «картинки» невысокое: изображение получается монохромным, «плоским», однако вполне четким, так как температура живых и неживых объектов отличается довольно сильно.

Что говорят о таких светодиодах практики?

Сервисные инженеры и ремонтники обращают внимание на прямую связь специфических  характеристик  этих приборов и возникающие проблемы. Большой мощный поток излучения требует много энергии и способствует повышенному выделению тепла. Любой сбой  в организации охлаждения снижает  эффективность работы прибора, вплоть до физического разрушения кристалла

Любой сбой  в организации охлаждения снижает  эффективность работы прибора, вплоть до физического разрушения кристалла.

Для  работы ИК-диодов с узконаправленным потоком излучения  важно состояние оптических систем, формирующих угол направления излучения. Изменение их свойств, даже физическое загрязнение, может  уменьшить потенциал  прибора. При работе с импульсными системами  необходимо учитывать фактор, что мощность излучения не растет линейно и даже небольшое отклонение напряжения от заданных параметров  помешает светодиоду выдать максимальный результат .И разница будет составлять не проценты, а разы

Например, для ряда этих устройств, при непрерывном режиме декларируется 4 Вт/ср , а при импульсивном обозначается  до 100 Вт/ср

При работе с импульсными системами  необходимо учитывать фактор, что мощность излучения не растет линейно и даже небольшое отклонение напряжения от заданных параметров  помешает светодиоду выдать максимальный результат .И разница будет составлять не проценты, а разы. Например, для ряда этих устройств, при непрерывном режиме декларируется 4 Вт/ср , а при импульсивном обозначается  до 100 Вт/ср

Поэтому практики советуют уделять пристальное внимание профилактике и минимальному сервисному обслуживанию при эксплуатации таких систем

Использование инфракрасных светодиодов будет расти постоянно, так как оборудование, работающее на их основе, все больше проникает в повседневную жизнь человека. Конкуренция заставит производителей делать эти устройства  надежнее, мощнее и дешевле.

ИК подсветка своими руками

Предлагаемая ИК подсветка может использоваться с бытовой камерой, имеющей режим ночной сьемки (для этого она и проектировалась), для обеспечения работы камер видеонаблюдения или приборов ночного видения (ПНВ) в условиях недостаточной освещенности.

Основу схемы составляет генератор импульсов, собранный на широко распространенном интегральном таймере NE555 (рис.1). Частота генератора должна находиться в интервале от 11 до 15 кГц. При указанных на схеме номиналах частотозадающих элементов (R1, R2, С1) она составляет чуть больше 13300 Гц. С выхода генератора через резистор R3 импульсы поступают на вход составного транзистора VT1-VT2, нагрузкой которого являются 28 параллельно соединенных ИК-светодиодов TSAL5100, объединенных в излучатель.

Благодаря применению генератора светодиоды в ИК подсветке работают в импульсном режиме, что позволяет добиться увеличения отдаваемой мощности в 2 раза по сравнению с питанием постоянным током. Мощность ИК подсветки составляет 6,5 Вт, потребляемый ток — 1,5 А при напряжении питания 6,3 В.

Транзисторы VT1 и VT2 следует установить на радиаторы из алюминия размерами 50x40x2 мм. Резисторы R4 и R5 должны иметь допустимую мощность не менее 15 Вт (лучше установить 20-ваттные — для повышения надежности и уменьшения нагрева).

Излучатель изготавливается из любого старого светодиодного фонарика с 28 светодиодами. Тут важен только сам отражатель с передним стеклом. Для изготовления ИК-излучателя выпаиваем все старые светодиоды и на их место впаиваем TSAL5100. После этого устанавливаем на место переднее стекло и отражатель. Переднее стекло нужно установить обязательно. Оно защищает излучатель от попадания влаги и выполняет роль рассеивателя. Так как светодиоды имеют малый угол излучения, то при отсутствии стекла на изображении отчетливо различимы темные и светлые пятна.

После этого со стороны пайки плата герметизируется слоем клея “Момент”, эпоксидной смолы или растворенного в дихлорэтане полистирола.

Андрей | 21 Ноя 2013

Вот видео с испытания оригинальной подсветки (https://www.youtube.com/watch?v=Lf2iNoUjfNk ), изготовленной автором. В начале видео показывается работа встроенной в камеру подсветки, далее она заклеивается изолентой и показывается работа сконструированной подсветки. В самом конце видео сравниваются обе подсветки. Из видео видно, что сконструированная подсветка более мощная!

Андрей | 02 Фев 2014

В номере 1 за 2014 год журнала Радиолюбитель на 55 странице опубликовано небольшое исправление данной статьи.

Квантовый Механик | 13 Июн 2014

А нет такой подсветки, чтобы я видел, а другие — нет(я вижу ближний ИК)?

Алекс | 03 Фев 2015

Лично я не вижу 940нм ИК лучи, а именно такой диапазон у TSAL5100. Квантовый Механик повидимому мутант

Андрей | 09 Фев 2015

Само излучение не видно, видно только свечение кристалла. Это тепловое свечение (нагрев) + преломление внутри оптики светодиодов. В принципе с этим можно попробовать бороться, если добавить вместо стекла ИК светофильтр ,который отсечет видимую область ИК.

Анатолий | 23 Апр 2015

Видимой области ИК не существует. Там более сложный механизм физиологического восприятия, который до конца ещё не изучен. Практически все предлагаемые сейчас ИК-осветители, даже диапазона 940нм, видны глазом с близкого расстояния после адаптации зрения к полной темноте (тёмновишнёвое слабое свечение). Редким исключением является светодиодная лампа IRL-940P, которую действительно не видно в темноте. Эта белая лампа замаскирована под обычную осветительную типа колбы. То, что она необычная, заметно только сбоку (радиаторы). Мощности хватает, чтобы осветить небольшую комнату. Светит до 4м под широким углом при чувствительности ч/б камеры 0,1 люкс. Можно конечно в обычную люстру ввернуть или потолочный светильник, в котором есть ещё и обычные осветительные лампы, но питание к патрону всё равно надо подводить 12в. Если светильник закрытого типа, то надо смотреть, насколько гасит излучение защитное стекло. К сожалению то ли производство этих чудо-ламп прекращено, то ли изгатавливают теперь только по заказу. Цена в среднем около 70$. Достать пока ещё можно, но трудно. У нас всегда так — производство хороших вещей сворачивают, зато прожекторами задолбали, которые замаскировать невозможно.

BiobioMum | 15 Июл 2015

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.

Технические характеристики

На электрических схемах ИК излучающие диоды обозначают так же, как и светодиоды, с которыми они имеют много общего. Рассмотрим их основные технические характеристики.

Рабочая длина волны – основной параметр любого светодиода, в том числе инфракрасного. В паспорте на прибор указывается её значение в нм, при котором достигается наибольшая амплитуда излучения.

Так как ИК светодиод не может работать только на одной длине волны, принято указывать ширину спектра излучения, которая свидетельствует об имеющемся отклонении от заявленной длины волны (частоты). Чем уже диапазон излучения, тем больше мощности сконцентрировано на рабочей частоте.

Номинальный прямой ток – постоянный ток, при котором гарантирована заявленная мощность излучения. Он же является максимально допустимым током.

Максимальный импульсный ток – ток, который можно пропускать через прибор с коэффициентом заполнения не более 10%. Его значение может в десять раз превышать постоянный прямой ток.

Прямое напряжение – падение напряжения на приборе в открытом состоянии при протекании номинального тока. Для ИК диодов его значение не превышает 2В и зависит от химического состава кристалла. Например, UПР АЛ118А=1,7В, UПР L-53F3BT=1,2В.

Обратное напряжение – максимальное напряжение обратной полярности, которое может быть приложено к p-n-переходу. Существуют экземпляры с обратным напряжением не более 1В.

ИК излучающие диоды одной серии могут выпускаться с разным углом рассеивания, что отображается в их маркировке. Необходимость в однотипных приборах с узким (15°) и широким (70°) углом распределения потока излучения вызвана их различной сферой применения.

Кроме основных характеристик, существует ряд дополнительных параметров, на которые следует обращать внимание при проектировании схем для работы в импульсном режиме, а также в условиях окружающей среды, отличных от нормальных. Перед проведением паяльных работ следует ознакомиться с рекомендациями производителя о соблюдении температурного режима во время пайки. О допустимых временных и температурных интервалах можно узнать из datasheet на инфракрасный светодиод

О допустимых временных и температурных интервалах можно узнать из datasheet на инфракрасный светодиод.

Читайте так же

Сегодня в радиоэлектронике имеются самые разнообразные изделия, применяемые для создания качественной и эффективной подсветки. Одним из таких изделий является инфракрасный тип диода.

Чтобы использовать его для создания подсветки, необходимо знать не только то, где они применяются, но и их особенности. Разобраться в данном вопросе поможет эта статья.

Адаптируемая («умная», «smart IR») ИК-подсветка

Изменение фокусного расстояния приводит к подстройке угла и яркости smart IR-подсветки

Недостатки стандартной ИК-подсветки:

• засветка объектива (особенно, если он загрязнен) за счёт отражения ИК лучей светодиодов от атмосферных осадков (таких, как снег, дождь, туман), летающих насекомых, пыли
• «пересвет» объектов в ближней зоне наблюдения камеры

Лицо человека, подошедшего близко, выглядит просто белым пятном, что затрудняет или вовсе делает его идентификацию невозможной. Нельзя использовать видеокамеры с ИК-подсветкой на 20 метров, если основное движение происходит на расстоянии 2-3 метров от них.

Достоинства адаптируемой («умной», «smart IR») ИК-подсветки:

Регулируемый угол подсветки

Благодаря специальным высокоточным линзам инфракрасные светодиоды формируют луч, соответствующий настройке фокусного расстояния камеры, обеспечивая всегда нужное количество света. Благодаря равномерному освещению всего поля зрения камера дает высококачественное малошумное видеоизображение даже при полном отсутствии окружающего освещения.

Регулируемая яркость подсветки

Камера автоматически регулирует экспозицию для достижения оптимального качества изображения. Если камера установлена рядом со стеной или углом, может быть целесообразно уменьшить яркость ближайшего к стене или углу светодиода, чтобы не создавать бликов, которые могут пересветить часть изображения. В зависимости от места установки и условий, в которых работает камера (например, наличие внешних источников света в поле обзора), может быть полезна ручная настройка яркости отдельных светодиодов для оптимизации ИК подсветки.

Smart IR в скоростных поворотных PTZ-камерах

За счет использования нескольких светодиодов с разными линзами и разной силой света удается оптимально согласовать освещение с полем зрения и зумом камеры. При панорамировании, наклоне и изменении увеличения форма ИК луча автоматически адаптируется к полю обзора камеры.

Одной из проблем применения встроенной ИК-подсветки является нахождение встроенных светодиодов рядом со светочувствительной матрицей

Тепловыделение светодиодов может приводить к «зашумлению» изображения, формируемого матрицей. Это делает особенно важной задачу охлаждения светодиодов. В современных PTZ-камерах с функцией Smart IR для отвода тепла и поддержания надлежащей температуры светодиодов и матрицы используются тепловые трубки. Такое решение для отвода тепла позволяет сделать купол камеры компактным и малозаметным, что вместе с использованием ближнего инфракрасного света позволяет минимизировать заметность видеонаблюдения

Эксперимент

На фото 1 приведен счетверенный стоп-кадр, полученный телекамерой цветного изображения (color), камерой «день/ночь» без ИК-чувствительности (dn), камерой с постоянной ИК-чувствительностью (dn ir) и камерой с подвижным управляемым ИК-фильтром (dn cut). Освещение в измерительной камере производится лампами накаливания. Отчетливо заметны искажения цвета в камере с постоянной ИК-чувствительностью. Примечательно, что особенно подвержены изменению цвета синтетические материалы.

На фото 2 приведен стоп-кадр, полученный аналогичными камерами при минимальной освещенности. Все три камеры «день/ночь» перешли в черно-белый режим. Однако видно, что контрастность и яркость изображений цветной камеры и камеры «день/ночь» без ИК-чувствительности практически идентичны и явно уступают камерам с расширенным в область ИК спектральным диапазоном чувствительности.

Естественно, только камеры «день/ночь» с ИК-чувствительностью могут работать с ИК-подсветкой. Однако реальная чувствительность в области ИК, а уже тем более на конкретной длине волны ИК-осветителя, остается для потребителя «тайной за семью печатями». Отчасти и поэтому тоже такой популярностью пользуются телекамеры цветного изображения «день/ночь» со встроенной ИК-подсветкой. В таком случае производитель сообщает (если, конечно, это правда), на какой дальности можно вести наблюдение.

Если же вы применяете отдельный ИК-осветитель с телекамерой цветного изображения «день/ночь», вам не избежать «проб», а может быть «и ошибок». Причем, как правило, несколько мифические данные о ночной чувствительности в люксах здесь не помогут, поскольку ИК-излучение в люксах не нормируется. Для иллюстрации этой ситуации на фото 3 приведен стоп-кадр упомянутых выше камер при предельно малой освещенности от ламп накаливания.

Очевидно, что камера с постоянной ИК-чувствительностью имеет существенно меньшую интегральную чувствительность в сравнении с камерой ICR (cut). С другой стороны, при освещении ИК-осветителем с длиной 930 нм изображения этих камер практически идентичны, что представлено на фото 4. К сожалению, нам никогда не известны даже относительные спектральные характеристики чувствительности камер «день/ночь». И в данном случае информация производителей сенсоров нам помочь не в состоянии, поскольку весьма редко распространяется на ИК-диапазон в сравнении с черно-белыми сенсорами.

На рис. 1 (см. стр. 72) приведена спектральная характеристика чувствительности одной из самых популярных сейчас CCD-матриц – SONY Super HAD II, которая, как мы видим, нормируется только в видимом диапазоне.

Естественно, ее можно интерполировать в область ИК, учитывая ход аналогичных характеристик черно-белых сенсоров. Но мы же не знаем, какие фильтры использует производитель. Ведь даже камеры с ICR имеют порой серьезную чувствительность в области ИК. Очевидно этот «тренд» обусловлен стремлением вытянуть большую чувствительность в цветном (дневном) режиме.

Модели ИК-излучателей

Лампа ИКЗК 250Вт

Наибольшее распространение для инфракрасного обогрева получили ламы из прессованного прозрачного стекла, окрашенного в своей массе в различный цвет, обозначаемая аббревиатурой «ИКЗ/ИКЗС/ИКЗК».

Буква «З» в обозначении показывает, что колба внутри имеет зеркальное покрытие. Наиболее распространены лампы с колбой красного («ИКЗК») или синего цвета («ИКЗС»). Нагревательным элементом в этих лампах служит вольфрамовая или карбоновая нить. Если колба лампы не окрашена (прозрачная) («ИКЗ»), то она может быть использована не только для обогрева, но и для освещения.

Типичным представителем этой группы инфракрасных излучателей можно считать лампу «ИКЗК 220-250 R127», имеющую следующие технические характеристики:

1. Потребляемая электрическая мощность – 250 ватт.
2. Максимальная температура нагрева наружных поверхностей – 500 С.
3. Форм-фактор – рефлекторная (с зеркальным покрытием), с цоколем «Е27».
4. Диапазон инфракрасного излучения 3,5-5 микрон.
5. Ресурс (наработка на отказ) -6,5 тысяч часов.
6. Напряжение питания 220 вольт.

Кроме обычных инфракрасных осветительно-обогревающих приборов, выпускаются и специализированные изделия, действие которых преимущественно направлено на обогрев ограниченной площади или объема.

К ним можно отнести:

1. Керамические инфракрасные лампы «ECZ/ECХ» с нагревательным элементом из нихрома или фенхеля, который заключен в керамический корпус (производители «Elstein», Германия, «Ceramicx», Ирландия).
2. Инфракрасные излучатели с трубчатым галогенным нагревательным элементом «ECS/ ECP/ ECH», в корпусе из кварцевого стекла и нагревателем из реостатной проволоки.
3. ИК-прожекторы, в которых установлены различного типа ИК-лампы или излучатели, а само устройство позволяет направлять поток ИК-излучения в нужном направлении.

Всё что нужно знать об инфракрасной подсветке

Инфракрасная подсветка обеспечивает оптимальное по качеству, эффективное и незаметное видеонаблюдения в условиях недостаточной освещённости или даже в полной темноте, что невозможно выполнить обычными камерами видеонаблюдения даже с самыми совершенными матрицами.

Применение в качестве освещения обычных ламп накаливания или люминесцентных ламп не является выходом, поскольку:

• во-первых, такие лампы делают устройства видеоконтроля, заметными, что крайне не желательно для эффективного видеонаблюдения;
• во-вторых, лампы видимого спектра имеют высокое потребление электроэнергии в сравнении с ИК-лампами;
• в-третьих, видимые источники света легко вывести из строя (разбить лампу); а в-четвёртых, лампы накаливания или искусственного освещения, могут вызывать засветку камеры или определённых областей съёмки

В отличие от обыкновенных источников освещения, инфракрасная подсветка потребляет меньшее количество электроэнергии, эффективно воздействует на матрицу камеры, что даёт возможность получать качественное и разборчивое изображение, абсолютно не заметна в темноте, поскольку спектр её излучения не виден человеческому глазу. Кроме того, сейчас рынок систем безопасности предлагает возможность приобрести ИК-подсветку в антивандальном корпусе, что позволит обеспечить защиту устройства от внешних механических воздействий.