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