LED IR

2 FEBRUARIE 2015

Iluminarea în spectrul infraroșu (Infrared Red – IR) are multe aplicații, variind de la camere de supraveghere CCTV până la tehnologia viziune mașină (Machine Vision – MV), sisteme de analiză a materialelor și de automatizare foarte sofisticate. Iluminarea IR se folosește și în biometrică: recunoașterea figurilor și a gesturilor, identificarea prin scanarea ochilor deoarece reduce sau elimină umbrele și variabilitatea luminii ambiante.

Iluminarea în infraroșu are multe avantaje față de lumina vizibilă: în aplicații de supraveghere păstrează o iluminare discretă și ajută să se ascundă direcția de vizualizare al camerei. În viziunea mașină și aplicații de automatizare, radiații IR, cu lungimi de undă mai mari, au o rată de penetrare mai mare prin fum și vapori, cât și condiții grele de vreme ca ploaie, ceață și ninsoare.Emițătoarele IR cu LED-uri au multe avantaje față de alte surse de iluminare IR. Ele au dimensiuni mai mici, au un consum electric mai mic, sunt durabile, pot lucra în medii variate și sunt neafectate de vibrații moderate. Iluminarea IR este esențială în aplicații de protecție și securitate.

Spectrul Infra Red – IR

Lungimile de undă în spectrul IR și aplicații:
■ IR-A: 700nm-1400nm (0-7μm – 1.4μm) Near IR – în fibra optică, senzori IR
■ IR-B: 1400nm-3000nm (1.4μm – 3μm) Medium IR – senzor de căldură
■ IR-C: 3000nm-1mm (3μm – 1000μm) Far IR – imagine termică

Near IR, numit NIR, este împărțit în două benzi, unde lungi NIR și unde scurte NIR, în funcție de cum reacționează camere fotografice cu film și CCD.

LED IR

LED-urile IR sunt numite și IRED (Infra Red Emitting Diodes).
În funcție de domeniul de utilizare, se fabrică cip-uri LED IR pentru diverse lungimi de undă:

• 940nm: telecomandă, cum ar fi telecomenzi pentru aparate de uz casnic.
• 808nm: aparatele medicale de tratament, comunicații optice în spațiu, iluminare cu infraroșu și sursele de pompare în lasere solid-state.
• 830nm: sistem de cititor de carduri automat în autostradă.
• 840nm: zoom infraroșu la camera video impermeabilă.
• 850nm: camere video care sunt folosite în fotografia digitală, sisteme de monitorizare, video interfon, alarmă la intruziune.
• 870nm: camere video în piețe și intersecții.

Specificaţii de bază pentru LED IR

■ lungime de undă centrală și lățimea de bandă
■ putere optică și putere electrică consumată
■ intensitate radiată și unghiul de iluminare
■ formă, dimensiuni, rezistența termală și mod de montare
■ culoare, tip de optică

IRED de mare putere, Oslon black SFH 4725S (OSRAM Opto Semiconductor), lungime de undă 940nm, putere optică 990 mW, intensitate radiantă 500mW/sr, unghi ± 45°, putere 3.4W, curent direct 1000mA@3.4V, timp de aprindere 10ns, timp de stingere 15ns, gama de temperatură -40 … +125°C. Rezistența termală < 11 K/W. Capsula: 3.85mm × 3.85mm × 2.29 mm. Aplicații cu optică externă este ideal pentru iluminarea în aplicații industriale de supraveghere și pentru mașini cu viziune, calificat pentru aplicații în domeniul auto.

Notă. LED IR cu terminale de montare prin găuri în PCB sunt mai scumpe și, în general, nu sunt la fel de robuste ca LED-uri montate pe suprafață (SMT). Dezvoltările recente de LED-uri SMT oferă un management termic mai bun și permit comanda la nivele de curent mari, cu disipare bună de căldură, fără a compromite performanța.

Iluminarea IR pentru supraveghere

Iluminarea IR este invizibilă pentru ochiul uman, dar vizibilă pentru camere CCTV alb / negru și zi / noapte, fiind ideală pentru supraveghere discretă. Camera poate vedea zona iluminată IR, dar un om nu o vede și, de aceea, e soluția perfectă în domenii sensibile în care poluarea luminoasă trebuie să fie evitată, cum ar fi cartiere rezidențiale și parcuri. Iluminarea IR acoperă bine distanțe lungi, de până la 370m. Prin urmare, în multe aplicații iluminarea IR este instrumentul perfect pentru iluminat, permițând camerelor CCTV să capteze ima­gini clare, bine definite, cu performanță alb-negru.

IRED de mare putere, Dragon Dome LED SFH 4783 (OSRAM Opto Semiconductor), lungime de undă 850nm, putere optică 430mW, intensitate radiantă 2300mW/sr, unghi ± 12°, putere 2.1W, curent direct 1000mA@1.65V, timp de aprindere 11ns, timp de stingere 14ns, gama de temperatură -40 … +100°C. Rezistența termală <11 K/W. Capsula: 11mm × 6mm × 5.7mm. Aplicații: iluminarea până la 100m în aplicații de supraveghere, pentru mașini cu viziune.

Lungimea de undă IR pentru aplicaţii CCTV
Cele mai frecvente iluminări IR de securitate au lungimea de undă în gamele:
■ 715 – 730nm – IR vizibil, ce oferă o strălucire roșie puternică (ca un semafor). Acest IR de securitate este cel mai potrivit pentru camere mai puțin sensibile.
■ 830-850nm – IR semi-vizibil, are o slabă strălucire roșie, abia vizibilă când este văzută pe axă. Acest IR de securitate este cel mai utilizat în mod obișnuit.
■ 940-950nm – IR complet invizibil pentru ochiul uman, cunoscut sub numele de lumină neagră. Acest IR dă iluminare discretă, poluare luminoasă minimă, dar distanțele sunt reduse și necesită camere extrem de sensibile, echipate cu lentile performante. Focalizarea este, de asemenea, mult mai dificilă la aceste lungimi de undă fiindcă lentilele funcționează mai ineficient la 940-950nm.

Modele de fascicol IR

• Când se furnizează iluminare CCTV, unghiul fascicolului ar trebui să acopere tot câmpul de vedere. Unghiul corect de iluminare se fixează pentru a ilumina scena complet. Unitățile moderne de iluminare permit ca unghiul de iluminare să fie ajustat la fața locului, potrivit cu cerințele specifice. Verificarea iluminării complete și corecte se face noaptea.
• Modele de fascicol tradiționale, standard, sunt furnizate la un unghi fix, îngust sau larg. Istoric, lentilele spot sau lentile de iluminare largă au domi­nat în aplicații, dar, recent, acestea au fost evitate, în favoarea unghiurilor mai precise, cum ar fi 10, 30 sau 60 de grade. Acestea sunt fixate la un unghi fix pe teren, ceea ce înseamnă că toate deciziile de zonă iluminată trebuie să se facă în timpul procesului de instalare. Modele de fascicol tipice: spot; 10°; 20°; 30°; 60°; larg.

Legea pătratică inversă arată că intensitatea radi­ației IR, ca și a luminii, este invers proporțională cu pătratul distanței față de sursa de iluminare. Se folo­sește pentru a calcula numărul de iluminatoare suplimentare, necesare la creșteri specifice în distanță.

Alegerea iluminatului IR

1. Infra-Red sau lumina albă?
Scopul sistemului va indica tipul de lumină utilizată. Iluminarea Infra-Red oferă o mai mare distanță, un grad variabil de invizibilitate (în funcție de lungimea de undă) și fără poluare luminoasă. Iluminarea Infra-Red este concepută doar pentru utilizare de către camerele CCTV. Lumina albă oferă posibilitatea de a ilumina o zonă pentru pietoni, personal sau vehicule, în plus față de sistemul CCTV. Acesta poate fi, de asemenea, utilizată ca un factor de descurajare vizual atunci când este pornită, dacă un intrus este detectat de un senzor de mișcare PIR.

2. Unghiul?
Iluminarea trebuie să se potrivească în mod ideal, cu unghiul camerei și obiectivul setat pentru a pentru a oferi cele mai bune performanțe. Dacă nu, la un unghi de iluminare prea îngust, camera va vedea un punct luminos în mijlocul scenei, iar contrastul dintre zonele luminoase și întunecate pe zona supravegheată va fi prea mare pentru a oferi imagini de înaltă calitate.

3. Până la ce distanţă?
După selectarea unghiului, se ia în considerare distanța. Se ține seama de legea pătratică inversă a iluminării: intensitatea scade cu pătratul distanței. Principala problemă în proiectarea unui sistem CCTV care încorporează iluminare în infraroșu este că lumina infraroșie nu poate fi măsurată în Lux, ca și cea vizibilă. Iluminarea IR se măsoară în mW.

4. Cameră și obiectiv cu lentilă
Performanța exactă a oricărui iluminator IR într-un sistem CCTV depinde de combinația cameră și obiectivul folosit. Pentru cele mai bune rezultate, trebuie utilizată o cameră cu sensibilitate ridicată IR și un obiectiv cu transmisie mare. În general, un sistem de imagistică CCTV (cameră, obiectiv, iluminare), este la fel de bun ca și cea mai slabă verigă a sa. Este esențial a verifica capacitatea camerelor de a fi sensibile la iluminarea în infraroșu.
O cameră sensibilă la infraroșu, pe timp de zi va reda diferite domenii de tonuri de gri, pentru că vede un conținut mai mare de infraroșu, pe care ochiul uman nu îl poate vedea. În practică, senzorii sensibili la lumina infraroșie extinsă sunt mai sensibili decât senzorii fotopici (în spectrul vizibil).

Iluminarea sau iradianţa (E) este maximă în centrul fascicolului de radiaţii IR. Pe o suprafaţă difuză, la distanţa d, faţă de o lampă IR cu intensitatea I, înclinată cu unghiul u1 și propagare în unghiul solid u2, iluminarea se aproximează cu formula:
E= I/d2 cos (u1+u2/2) [W/m2].

Focalizarea la iluminarea infraroșie

Distanța până la un obiect în focalizare va fi diferită în lumină infraroșie, comparativ cu lumina naturală. Acest lucru se datorează unghiul de refracție diferit și faptul că o lentilă

IRED de mare putere, Oslon black SFH 4716H (OSRAM Opto Semiconductor), lungime de undă 850nm, putere optică 1030mW, intensitate radiantă 225mW/sr, unghi ± 75°, putere 3.4W, curent direct 1000mA@2.1V, timp de aprindere 7ns, timp de stingere 14ns, gama de temperatură -40 … +125°C. Rezistența termală < 11K/W. Capsula: 3.85mm × 3.85mm × 1.51mm. Aplicații fără optică externă: recunoașterea gesturilor, iar cu optică externă este ideal pentru iluminarea în aplicații industriale de supraveghere și pentru mașini cu viziune, calificat pentru aplicații în domeniul auto.

IRED de mare putere, SurfLight VSMY98545 (Vishay Semiconductor), lungime de undă 850nm, putere optică 660mW, intensitate radiantă 350mW/sr, unghi ± 45°, putere 2300mW, curent direct 1000mA@2.3V, timp de aprindere 15ns, timp de stingere 18ns, gama de temperatură -40 …+95°C. Rezistența termală < 10K/W. Capsula: 3.85 mm × 3.85 mm × 2.2 mm. Aplicații cu optică externă: iluminarea pentru camere CMOS (CCTV), și camere pentru jocuri 3D, pentru mașini cu viziune, televiziune 3D. www.vishay.com/docs/81223/vsmy98545.pdf

compensează refracția în principal în partea vizibilă a spectrului. În plus, focalizarea la lumină a camerei folosește diafragmă mică, dar trebuie să se re-ajusteze pe timp de noapte, sub lumina infraroșie, deoarece diafragma va fi deschisă poate chiar la maxim și va rezulta scăderea în profunzime. Cea mai bună soluție este focalizarea utilizând doar Infra-Red noaptea sau chiar ziua folosind pe obiectiv un filtru care lasă să treacă doar radiația IR.
Important este și faptul că unghiul lămpii IR trebuie să fie ajustat exact la unghiul camerei, deoarece diferența de câteva grade poate duce la pierderea unei cantități mari de energie luminoasă disponibilă. Există diverse lentile disponibile, care pot concentra lumina vizibilă și lumina infraroșie la același punct focal, dar prețul este mărit de circa patru ori.

IRED de mare putere, SFH 4710 (OSRAM Opto Semiconductor), lungime de undă 850nm, putere optică 270mW, intensitate radiantă 63mW/sr, unghi ± 65°, putere 1W, curent direct 500mA@1.6V, timp de aprindere 11ns, timp de stingere 15ns, gama de temperatură -40 … +100°C. Rezistența termală < 25 K/W. Capsula: 1.6 mm × 1.2 mm × 0.8 mm. Aplicații fără optică externă: urmărirea ochilor și detectarea gesturilor, iar cu optică externă este ideal pentru iluminarea în aplicații industriale de supraveghere și pentru mașini cu vizi­une, cum ar fi recunoaștere de model și de măsurare 3D, deoarece lungimea de undă de 850 nm este abia perceptibilă pentru ochiul uman, dar poate fi foarte ușor de detectată de sisteme de camere. www.osram-os.com/pr-SFH4710

Reflexie pe subiect

Camera e sensibilă doar la energia luminii reflectate de subiect, astfel încât, și acest factor trebuie să fie luat în considerare.

LED Emițător IR, LL-503IRT2E-2AE, 940nm; transparență mare, Lucky Light Electronics Co., Ltd. Unghi tipic: ± 22.5°, curent direct 20mA@1.2V. Fiabil și rezistent, este împerecheat spectral cu fotodiode și fototranzistoare cu siliciu. Aplicații: optoelectronic switch, iluminator IR de camera, detector de fum, transmisii și telecomenzi prin aer. www.luckylight.cn

Valori tipice pentru reflexie sunt:
• card de încercare alb mat – 89%
• scenă cu zăpadă – 85%
• ferestre și pereți din sticlă – 70%
• vopsea albă mată pe beton de – 60%
• beton nevopsit, parcare auto cu – 40%
• cărămizi roșii – 35%
• peisaj deschis cu iarbă, copaci – 20% (clorofila reflectă la 715 nm, astfel că apare de culoare alb strălucitor, în loc o nuanță de gri, reflectând 60% – 70% lumina IR)
• zona asfalt gol 5%

Surse de alimentare și Circuite driver

LED-urile IR, ca orice diodă sunt controlate prin curent. Radiația IR este proporțională cu curentul. Circuitele driver pentru LED-uri IR trebuie să furnizeze suficientă tensiune pentru a depăși căderea de tensiune specifică diodei sau șirului de diode, în timp ce se controlează curentul la valoa­rea corectă specifică dispozitivului.
Notă. Puteți alege și comanda sursele de pu­tere adecvate, pentru orice aplicație LED, la ECAS ELECTRO – distribuitor autorizat al firmei Meanwell – un lider mondial în fabricația de surse standard cu comutare. ( www.meanwel.com).

IRED de mare putere, Oslux SFH 4780S (OSRAM Opto Semiconductor), lungime de undă 810nm, putere optică 680 mW, intensitate radiantă 2900mW/sr, unghi ± 10°, putere 1.8W, curent direct 500mA@3.3V, timp de aprindere 8ns, timp de stingere 14ns, gama de temperatură -40 … +85°C. Rezistența termală < 25 K/W. Capsula: 3.5mm × 3.5mm × 2.4mm. Aplicații: iluminarea în aplicații de supraveghere, identificarea biometrică în aplicații mobile (iris scanner).

Disiparea căldurii

Eficiența puterii de ieșire scade cu temperatura, pentru un LED NIR cu aproximativ -0.5% /°C. În aplicațiile în care există fluctuații mari de temperatură, variația puterii dată de LED-uri va fi mult mai mare decât scăderea puterii LED IR cauzată de degradarea în timp. Trebuie asigurată buna disipare a căldurii pentru a nu afecta performanțele sau durata de viață.

Standarde de siguranţă aplicabile la LED IR

În Statele Unite, ANSI Z136.1-2000, American National Standard for Safe Use of Lasers, este standardul folosit pentru a defini limitele de emisii pentru lasere. Apendicele H din acest standard îndrumă producătorii să aplice recomandările RP27.1 ANSI și RP27.3 pentru standardele de siguranță la LED-uri.
În Europa de Vest, precum și alte țări, se aplică IEC 60825-1 și IEC 62471 Safety of Laser Products, ca standarde pentru LED-uri și lasere. Acest document nu face o distincție sau cerințe de limite diferite de emisie între LED-uri și lasere.

Dioda laser IR SPL TD 85-C (OSRAM Opto Semiconductor) cu pulsuri în infraroșu la 845nm, unghi fascicol 40° × 6°, carcasa metalică Ø 5.6 × 3.5mm a fost proiectată special pentru camerele 3D și este calificată pentru aplicații industriale. www.osram-os.com

Cupe reflectorizante, LED-uri multiple, lentile externe și / sau alte componente optice aplicate de către producătorul echipamentului pot modifica semnificativ nivelul de emisii. Este responsabilitatea producătorului echipamentelor pentru a testa și verifica emisiile efective din sistem.
Vezi: http://optodiode.com/application_notes.html

Diode laser cu pulsuri IR

Diodele laser infraroșu sunt potrivite ca surse de iluminat în aplicații de recunoaștere a gesturilor în aer (ex. în chirurgie, la scriere de texte) și jocuri, cu o precizie excelentă de măsurare, 0.01mm (vezi www.leapmotion.com). Diodele laser care lucrează în pulsuri au comutare extrem de rapidă și, prin urmare, pot fi modulate cu până la 80 MHz (aprox. 30 MHz cu IRED). Dioda laser IR SPL TD 85-C, cu o lungime de undă de 845 nm și o putere optică de ieșire 0.45W, este un bun exemplu de o diodă laser IR care a fost special dezvoltată pentru camerele 3D. Această componentă este în conformitate cu standardele de calitate industriale.

Intensitatea radiantă mare la 850nm asigură iluminare de încredere pe distanțe mari, incluzând sisteme de supraveghere CCTV în aer liber la punctele de trecere a frontierei și în aeroporturi. www.novuslight.com

Aplicații laser IR de rază lungă: sisteme de asistență predictivă a șoferului

Producătorii de automobile folosesc senzori 3D cu rază lungă de cel puțin zece metri pentru sisteme de siguranță activă. Acești senzori monitorizează împrejurimile vehiculului și pot detecta atunci când este pe cale să se întâmple o coliziune. Șoferul este avertizat și chiar frânarea de urgență poate fi aplicată. O soluție inițială este sistemul Volvo City Safety (vezi: www.extremetech.com) care folosește mai multe fascicule laser infraroșu pentru a scana zona din fața autovehiculului pentru obiecte la anumite distanțe. Imaginile unei camere vor fi evaluate astfel încât acești “senzori pre-crash” vor recunoaște tipul obiectului.

ECAS

ELECTRO asigură aprovizionarea și asistența tehnică pentru orice tip de dispozitive și componente solare: generatoare, controlere de încărcare, baterii reîncărcabile, invertoare, cabluri și conectoare, semiconductoare (diode și circuite integrate specifice domeniului solar), LED-uri și dispozitive de iluminat cu LED-uri.

Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro

Comentarii

Alexandru spune:

Buna ziua, ma intereseaza si pe mine o banda de leduri IR, vreau sa ajung undeva la 500 de leduri IR. Am observat ca in Romania nu prea poti sa gasesti pe nicaieri banda, ci doar la bucata.

David spune:

Buna ziua, as dori sa imi construiesc un sistem de viziune pe timp de noapte, la masina. Mi-ati putea va rog frumos oferi ajutor? Multumesc mult.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *