Для чего нужна инфракрасная подсветка и ИК-прожекторы при видеонаблюдении

В последнее время все более актуальным становится использование систем скрытого видеонаблюдения за объектами охраны, поэтому целях обеспечения безопасности и охраны различных объектов все более распространенными становятся системы видеонаблюдения различных модификаций, начиная от одноабонентского видеодомофона и заканчивая многокилометровыми периметральными системами.

При инсталляции таких систем в большинстве случаев встает задача обеспечения круглосуточного видеонаблюдения независимо от того, расположен ли объект на улице или в помещении, жилом, офисном, торговом и т.д. В таких ситуациях инсталляторы часто сталкиваются с проблемой получения удовлетворительного изображения наблюдаемого объекта в условиях его недостаточной освещенности. Это относится к закрытым помещениям с выключенным освещением, к объектам на открытом воздухе в ночное время и т.д.

Лучшее решение это — камеры видеонаблюдения с ик подсветкой, а простейшим решением этой проблемы может быть использование дополнительного освещения или применение более чувствительных видеокамер. Однако два последних решения имеют свои недостатки.

Использование обычного искусственного освещения часто сопряжено высокими затратами на электроэнергию, а в ряде случаев неприемлемо вообще, если необходимо не привлекать внимания к объекту или если свет будет мешать окружающим.

Использование для наблюдения высокочувствительных видеокамер может быть ограничено их высокой стоимостью, а в ряде случаев невозможностью увидеть темный объект на фоне яркого источника света.

Другим решением проблемы недостаточного освещения при видеонаблюдении является скрытая подсветка наблюдаемых объектов при помощи инфракрасных прожекторов.

Для осуществления наблюдения используются в основном черно-белые видеокамеры на основе ПЗС матриц. При этом модификации камер отличаются по многим параметрам. Здесь и чувствительность матрицы, и фокусное расстояние и особенности диафрагмы, и т.д. и т.п. При этом не стоит забывать, что существуют и цветные видеокамеры наблюдения. Но недостаток многих из них тот, что они не чувствительны к инфракрасному излучению, так как используются средства для коррекции белого, отсекающие инфракрасное излучение. Поэтому при выборе камеры для ночного или смешанного наблюдения необходимо уточнять, чувствительна ли камера к инфракрасному излучению. Возможности же видеокамеры превышают возможности человеческого глаза, так как камера наблюдения имеет чувствительность в гораздо большем световом диапазоне, чем человеческий глаз. При этом пик чувствительности видеокамер EX-view смещен в сторону инфракрасного светового диапазона.

Отчетливо видно, что максимум чувствительности камеры находится в диапазоне 650-700 нанометров. Видимое же человеческим глазом излучение имеет длину волны в диапазоне от 400 до 700 нанометров. Поэтому инфракрасные прожекторы, призванные освещать видеокамерам зону наблюдения, исполняются с длиной волны выше, нежели 700 нм. Установились некоторые стандарты исполнения прожекторов. В диапазонах 730-750 нм, 800 нм, 870-880 нм и 930-950 нм. Прожекторы с длиной волны от 730 до 880 нм считаются видимыми, так как при взгляде непосредственно на прожектор видно свечение излучающего элемента. Чем меньше волна - тем отчетливей видно элемент. Этого недостатка лишены прожекторы с длиной волны 930-950 нм. Но, в связи с падением чувствительности камеры (см. рисунок 1) дальность излучения падает.

ИК прожекторы различаются по типу излучающего элемента. Они могут быть ламповые и на основе светоизлучающих диодов. Ламповые так же делятся на две категории. С лампами, излучающими непосредственно инфракрасный свет и с обычными лампами, но с применением специальных фильтров, пропускающих только инфракрасный свет не ниже заданной длины волны.

Рассмотрим прожекторы, исполненные с использованием дихроических ламп со специальным покрытием. К достоинствам можно отнести тот параметр, что выпускаются в основном с длиной волны 730-750 нм и 800 нм. Данные диапазоны приближены к пиковой чувствительности камер, но о невидимом излучении здесь речь не идет, так как в этих диапазонах отчетливо виден сам излучающий элемент. При чем независимо от того, под каким углом к прожектору стоит наблюдатель. Так же к недостаткам можно отнести и требовательность к силе тока, что подразумевает повышенное энергопотребление. Потребляемый ток таких прожекторов 6 - 7 А. Сама же лампа имеет очень ограниченный срок действия, в среднем около 6 мес.

Теперь перейдем к прожекторам с использованием ИК-фильтров. В принципе, достоинства и недостатки схожи с вышеприведенными прожекторами, лишь негативный фактор увеличивается ввиду еще большего токопотребления и большей потребляемой мощности. Если прожектор с дихроической лампой потребляет 75-100 Вт, то с использованием галогеновой лампы и ИК-фильтра этот параметр поднимается до 300 - 500 Вт. Интенсивность излучения, конечно, несоизмерима и имеется возможность установить ИК-фильтр с нижним порогом пропускания в 950 нм, что исключает возможность для наблюдателя увидеть излучающий элемент. Но при этом дальность подсветки падает сразу примерно в 4 раза, в отличие от прожектора с длинной волны 730 нм.

Основной же недостаток всех ламповых прожекторов - они опасны для сетчатки глаза, так как мощность ламповых прожекторов очень высока. Ведь глаз нечувствителен к инфракрасному излучению, поэтому не срабатывает защитный механизм глаза, прикрывающий веки подобно тому, как если глянуть на солнце или обычную лампочку. Таким образом, глаз можно просто "сжечь" не заметив этого. Конечно, это возможно при наблюдении излучения прожектора с близкого расстояния, но все равно опасность существует.

При этом, как и любые лампы, данная группа Ик-прожекторов чувствительна к механическим повреждениям, обладает сроком службы до 2000 часов и высокой стоимостью самой лампы от 30 до 70 USD.

Теперь рассмотрим прожектора, исполненные на основе светоизлучающих диодов. К недостаткам можно отнести обязательное использование блока питания и невозможность подключить прожектор напрямую к сети 220 В, так как иногда прожектор расположен достаточно далеко от питающего камеру блока питания. Так же к недостаткам можно отнести тот параметр, что рабочая температура светодиодных излучателей находится в пределах до +80°С (у ламп рабочая температура до 3000°С). Этот параметр приводит к необходимости конструктивного исполнения с радиатором, на который диоды могли бы "сбрасывать" избыточное тепло, не идущее в излучение. Но при этом достоинства таких прожекторов с лихвой компенсируют указанные недостатки. К достоинствам можно отнести малое энергопотребление (0,1 - 3 А и 1,2 - 36 Вт), достаточная дальность при малой мощности, что позволяет без риска для глаз рассматривать в упор работающий прожектор, сравнительно небольшие размеры, а соответственно и удобство установки, несравненно большая надежность диодов в отличии от ламп и, что немаловажно, низкая стоимость.

На нижеприведенной таблице показаны параметры трех видов прожекторов.

Конечно, данная таблица относительна, поэтому для полной ясности необходимо сравнивать показатели конкретных моделей.

В современных ИК-осветителях используются светодиоды с линиями генерации 870 - 880 и 940 - 950 нм. Учитывая характеристику спектральной чувствительности типовых ПЗС-матриц, представленную на рисунке 1, наиболее эффективно использовать излучатели с минимальной длиной волны. В этом случае снижение эквивалентной чувствительности телекамеры минимально, а это позволяет увеличить дальность подсветки. Кроме того, эффект расфокусировки изображения в результате изменения коэффициента преломления оптики, а с ним и смещения фокальной плоскости объектива также минимален. Однако отчетливое свечение светоизлучающих площадок светодиодов светло-красного цвета может свести на нет все меры по скрытости наблюдения. Смещение линии генерации в область 940 - 950 нм приводит к снижению интенсивности видимого свечения площадок излучателей с одновременным смещением цвета свечения к темно-вишневому. По всей видимости, меньшая видимость свечения связана в первую очередь с приближением видимой составляющей к границе чувствительности глаза (750 нм). Это подтверждает и цвет свечения, по которому можно оценить видимую составляющую как близкую к 600 и 700 нм, соответственно для излучателей с длиной волны 870 - 880 и 940 - 950 нм. Долгое время многие специалисты пытались объяснить феномен видимости свечения ИК-диодов попаданием в область чувствительности глаза высокочастотной части основного спектра излучения. Светодиод по принципу действия является достаточно монохромным источником, ширина спектра которого по уровню 0,5 не превышает 30 - 40 нм. При этом не приходится рассчитывать на протяженные "хвосты" спектра, которые могли бы попасть в область чувствительности глаза. Кроме того, цветовое ощущение любого квалифицированного наблюдателя противоречило этим предположениям. В то же время спектрограммы, прилагаемые производителями, не содержали посторонних линий излучения.

Специальные измерения спектра излучателей на основе матричного светодиода ИК-6 с длиной волны генерации 880 нм, проведенные на модернизированном спектрометре, однозначно зафиксировали второй максимум в области 600 нм, составляющий порядка 0,0074 от максимума интенсивности основного излучения на длине волны 870 - 880 нм. Излучение с такой длиной волны имеет ярко-красный цвет. По всей видимости, механизм возникновения второго максимума для излучателей на 940 и 950 нм аналогичен. Это косвенно подтверждается сдвигом видимой составляющей свечения к вишневому цвету. На рисунке 2 приведено взаимное расположение спектральной характеристики ПЗС-матрицы (I) основных спектров ИК-излучателей с длиной волны 880 нм (II) и 950 нм (III) и спектров паразитной видимой составляющей (II') и (III') для каждого излучателя [1].

Применяя ИК-осветители, достаточно сложно определить необходимую мощность подсветки для создания требуемой освещенности на объекте наблюдения. Производитель, как правило, нормирует потребляемую мощность, дальность подсветки и диаграмму направленности ИК-осветителя. При этом угол раскрыва диаграммы направленности нормируется чаще всего на уровне 0,5 от максимума мощности. Приводимая дальность подсветки предполагает одновременное указание чувствительности телекамеры, разрешения и отношения сигнал/шум, получаемого при этом изображения. Критерием минимального качества изображения является отчетливое различение неподвижной границы черного и белого полей на уровне шума. 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. Прямое измерение мощности ИК-излучения затруднительно ввиду малой доступности измерителей оптической мощности. Но даже при их наличии прямые измерения проблематичны вследствие несогласованности больших апертур световых пучков осветителей и входных окон измерительных фотоприемников. С достаточной для практики точностью можно оценить излучаемую мощность по потребляемой мощности осветителя с учетом КПД современных светодиодов, не превышающего 20 - 25%.

Диаграмма направленности светодиодных ИК-осветителей, за редким исключением, формируется встроенными фоконами самих светодиодов и имеет форму конуса. Величина угла раскрыва характеристики нормируется, как правило, по уровню 0,5 относительно максимума, расположенного по оси светового пучка. Примеры типовых характеристик направленности с углами 40 и 80 угловых градусов приведены на рисунках 3 и 4 [1]. В границах уровня 0,5 практически излучается от 65 до 80% всей мощности в зависимости от конструкции фокона, наличия дополнительного отражателя и угла раскрыва характеристики.

На российском рынке представлены ИК прожекторы импортного и отечественного производства. По ценам их можно разделить на дорогие, средней ценовой категории и дешевые.

Дорогие прожекторы, в категории свыше 400 USD представлены в основном известными мировыми производителями. Если не брать во внимание именитость бренда производителя, то стоимость ИК-прожекторов данной группы можно характеризовать, как неоправданно дорогой.

Дешевые - это прожекторы, производимые из низкокачественных, с небольшим сроком службы диодов и корпусов, не способных обеспечить микросхемы и диоды достаточной защитой от агрессивных факторов окружающей среды. Как правило, они стоят до 50 USD и имеют срок службы до 1 года.

ИК - прожекторы средней ценовой категории пользуется стабильным спросом из выше перечисленных и имеют оптимальное соотношение цена - качество. Обладают техническими характеристиками не ниже своих импортных и дорогих собратьев, а зачастую и выше, при этом стоят на порядок, в 2 - 3 раза дешевле. Имеют степень защиты не ниже IP-65, что означает герметичность корпуса от водяных струй (прямой поток воды), гарантированную работоспособность при температурах от -30°С до + 40°С и срок службы до 100000 часов.

ИК-прожекторы на основе светоизлучающих диодов (рисунок 5) обладают следующими преимуществами по сравнению с ламповыми:

• Низкое энергопотребление
• Высокая надежность диодов в отличие от ламп, длительный срок службы (50000 - 100000 часов), а соответственно и меньшие эксплуатационные расходы
• Небольшие размеры, а соответственно и удобство установки
• Устойчивость к вибрации и ударам
• Сравнительно низкая стоимость

Прожекторы "Микролайт"

Таким образом, сравнительный анализ использования ламповых и светодиодных ИК-прожекторов показывает целесообразность применения ИК-прожекторов на основе светоизлучающих диодов.

Преимущества светодиодных ИК-прожекторов можно также показать на следующем примере. Чтобы вывести на монитор такое изображение (рисунок 6) можно использовать один из следующих вариантов:

• Использовать обычный прожектор или фонарь с энергопотреблением 500-700 Вт/час.
• Использовать светодиодный ИК-прожектор, энергопотребление которого составляет всего 50 Вт/час.

Следует также отметить, что в данной ситуации свет обычного прожектора будет мешать людям внутри здания и привлекать внимание к объекту, а излучение ИК-прожектора будет абсолютно незаметно.

В связи с очевидными преимуществами ИК-прожекторов на основе светоизлучающих диодов они получают все более широкое применение.

Все ИК-прожекторы можно условно разделить на прожекторы ближней, средней и дальней дистанции. ИК-прожекторы ближней дистанции обеспечивают подсветку на расстоянии от 1,5 до 10 метров и применяются в таких случаях, как:

• в панелях видеодомофонов для обеспечения необходимого освещения непосредственно за дверью, позволяющего рассмотреть не только силуэт человека, но и черты лица
• в качестве дополнительной подсветки к видеоглазкам используют закамуфлированные ИК-подсветки в виде ИК-пластины, имитирующей табличку под номер квартиры, надпись "Не курить", "Выход" или другое
• для подсветки подъезда или крыльца в качестве дежурного освещения при отключении обычного освещения либо в качестве ик-подсветки камер видеонаблюдения при недостаточном освещении
• в качестве подсветки для скрытого видеонаблюдения за помещениями в темное время суток или в условиях недостаточной освещенности. Такими помещениями могут быть офисы, банковские помещения, кассы, склады, кладовые комнаты и т.д.
• в качестве подсветки для скрытого видеонаблюдения в тюрьмах, больницах и других учреждениях.

Примерами использования ИК-прожекторов на средние (25-60 м) и дальние (80-350 м) дистанции могут быть:

• подсветка для скрытого видеонаблюдения за жилыми объектами, где требуется не привлекать лишнего внимания к объекту, а также чтобы свет не мешал людям внутри здания
• подсветка для видеокамер в кинотеатрах, театрах, ночных клубах, где невозможно использовать обычное освещение ввиду специфики деятельности
• подсветка для видеонаблюдения и регистрации номеров автомобилей на автостоянках, дорогах, где невозможно применение обычных прожектор, т.к. их свет будет ослеплять водителей
• эффективная и экономная подсветка для скрытого видеонаблюдения за складами, офисными и производственными помещениями в темное время суток или в условиях недостаточной освещенности
• дополнительная подсветка для приборов ночного видения для увеличения дистанции наблюдения
• подсветка для скрытого видеонаблюдения при охране периметров, протяженных участков территорий, а также пограничного контроля; подсветка для видеокамер при охране больших площадей: футбольного поля, поля для гольфа, двора дома и т.п.

Выделим еще один аспект применения ИК-подсветки. Если в охранной системе объекта допустима видимость свечения источников излучения и достаточна только невидимость подсветки, то возможно применение ИК-излучателей с длинной волны 920, 880 и даже 850 нм. В последние годы все более широкое применение находят специализированные устройства ИК-подсветки с камуфлированным внешним видом.

Одним из вариантов камуфлированных устройств скрытой подсветки для телевизионной камеры является плоская панель, в которой излучатели спрятаны за непрозрачным в видимой области инфракрасным светофильтром (рисунок 7). На этой панели наносится надпись, пиктограмма или номер квартиры или офиса. Элементы надписи, пиктограммы, номера или знаки располагаются таким образом, чтобы не перекрывать излучение.

Таким образом, проблема недостаточной освещенности при скрытом видеонаблюдении может быть решена путем применения ИК-прожекторов. Наиболее эффективным и целесообразным является применение ИК-прожекторов на основе светоизлучающих диодов. Вы всегда можете купить камеры видеонаблюдения в нашем интернет-магазине.

Различное исполнение светодиодных ИК-прожекторов: различные размеры и форма, дальность и угол освещения, длина волны, - все это позволяет подобрать оптимальный вариант для решения задач скрытого видеонаблюдения, поставленных в каждом отдельном проекте.

Литература
1. Чура Н.И. Некоторые аспекты применения ИК-подсветки при видеонаблюдении.