О визуальной видности ИК излучения и других заблуждениях

В последние 1,5-2 года в печати и на интернет-сайтах появились ряд публикаций посвященные «современной ИК подсветке » и ночному наблюдению. Некоторые материалы  фрагментарно, но беззастенчиво копируют друг друга. Примечательно, что и в весьма спорных и мало понятных заявлениях.
Например, как одну из возможности наблюдения при малой освещенности совершенно справедливо упоминается использование телекамер с электронным увеличением чувствительности. Но к системам увеличения чувствительности, кроме накопления заряда по времени и суммирования соседних пикселей («бининг»)  почему то относят и управление диафрагмой.
Лучший прием матрицей излучения ИК с меньшей длиной волны достаточно эффектно и наукообразно аргументируется большей энергией квантов. Вместе с тем достаточно банального анализа спектральных характеристик чувствительности, предоставляемых практически всеми основными производителями сенсоров, чтобы оценить эффективность подсветки. По аналогии можно предположить, что излучение в диапазоне ультрафиолета или рентгена должно восприниматься CCD еще лучше!? Ведь энергия кванта там еще выше!?
Для оценки эффективности подсветки привлекается некий яркостный эквивалент ИК излучения, «фиксируемого» глазом, полученный путем суперпозиции кривой видности глаза и спектра мифического светодиода с длиной волны 700 нм. Результатом этих не внятных рассуждений и ссылок на некие расчеты делается вывод о полной эквивалентности ИК наблюдения дневному. От смелости подобных преобразований светотехнических «люменов» белого света в «эквивалентное» инфракрасное излучение просто захватывает дух. Никто не спорит о возможности наблюдения в ИК, но эффективность использования излучения и контраст изображения из за монохромной подсветки здесь значительно ниже (смотри спектральные характеристики матриц: рис 1 матрицы ч/б; рис 2 матрица цветного изображения без срезающего ИК фильтра). Безусловно можно пересчитать реальную «люксовую» чувствительность  в требуемую плотность мощности ИК излучения  для заданной длины волны. К сожалению это реальная, но чисто академическая задача.

Рис. 1

Рис. 2

С одной стороны обычно мы не знаем реальную чувствительность камеры или что под ней понимает производитель. Если бы было иначе, мы не встречали бы заявленные минимальные освещенности со многими нулями после запятой.  А реальная чувствительность в области ИК вообще является » темным лесом». Этот параметр просто не нормируется.  Для черно-белых камер можно было бы опираться на данные спектральной чувствительности производителя.  С современными камерами день/ночь это сделать практически не возможно, поскольку производитель в борьбе за чувствительность устанавливает совершенно произвольные срезающие ИК фильтры. Причем вне зависимости подвижный или не подвижный это фильтр.
С другой стороны производители ИК осветителей не нормируют выходную мощность, а иногда и распределение плотности в пятне. Обычно предлагается некая максимальная  дальность подсветки, в лучшем случае с упоминанием требуемой «люксовой» чувствительности камеры.

В любом случае получить «освещенность» в ИК, эквивалентную дневной, а это не менее 10000-50000 лк, естественно не так просто. Тем более с учетом на порядок меньшей чувствительности камер в спектрах распространенных полупроводниковых осветителей.

И так в чем причины видимости ИК излучателей. Утверждается, что ИК светодиоды являются чуть ли не диапазонными излучателями. Что даже длина волны генерации точно не определена. И это при том, что ширина спектра их излучения не превышает 30-50нм, т.е около 0,1 длины волны излучения, что является достаточным признаком монохромности и высокой спектральной яркости. С другой стороны, утверждают, что для этих источников характерна чуть ли не когерентность. Что так же не совсем строго, поскольку при этом предполагается синфазность колебаний оптического излучения для разных моментов времени и точек пространства в распространяющемся пучке. Т.е. в смысле когерентности даже полупроводниковый лазер не является вполне когерентным прибором, например в сравнении с высокостабильным газовым лазером.

Все производители нормируют максимум спектра излучателя и его ширину, как правило, по уровню 1/2. Наиболее широко производятся и соответственно применяются две группы излучателей. Коротковолновая группа на 850, 870 и 880 нм имеющая большую применимость благодаря эффективности подсветки и длинноволновая группа на 920, 930, 940 и 950 нм имеющая большую скрытность использования, но меньшую эффективность подсветки.
Спектрограммы излучателей подтверждают наличие еще одного максимума на уровне менее 0,01 от основного максимума на повышенной частоте. Для группы излучателей 850, 870 и 880 нм это линия паразитной генерации около 600 нм. Для группы длинноволновых излучателей 930, 940 и 950 нм это генерация в области 700 нм. Причем это подтверждается визуальным цветовым впечатлением. В свою очередь данные спектрограмм опровергают идею о суперпозиции «широкого спектра» излучателя с кривой видности глаза, поскольку здесь глаз просто отсутствует.  Этот эффект характерен только для предельных режимов типовых светодиодов  при токах более 70 мА и практически не заметен при номинальных значениях около 30 мА. Все это обсуждалось еще в начале 2000 годов прошлого века.
Что касается претензий к надежности осветителей, то они справедливы только к моделям с плохим теплоотводом от площадки излучателя. Вообще проблема съема тепла от p-n перехода является основной для производителей  осветителей. В этом смысле заметен существенный прогресс во встроенных осветителях телекамер. Серьезные производители среднего ценового диапазона перешли от простых печатных плат со светодиодами, вложенных в корпус к более сложным конструкциям тепловых переходов между платами, радиаторами и корпусом камеры.
Для обеспечения ресурса не последнюю роль играет стабилизация тока и электронная защита от перегрузки.
Что касается специфичности ИК изображения, то эти соображения безусловно справедливы. Прежде всего в ИК области снижается общий контраст изображения от монохромного освещения, а коэффициенты отражения не так сильно отличаются, как яркости цветовых составляющих видимого диапазона.   Возникают серьезные сомнения о возможной путанице видимого и ИК изображения, особенно при наличии  водной поверхности или растительности. Во первых растительность на черно-белом изображении не такая белоснежная как в ИК диапазоне. Популярный в России черный цвет одежды выглядит также белым, маскировочная раскраска одежды также выравнивается до белого. Вообще для эффективного применения ИК подсветки полезно бы было создать некую библиотеку изображений одних и тех же объектов  в ИК диапазоне, в видимом ч/б варианте и в цвете.
Совершенно справедливые замечания о согласовании полей зрения и подсветки, а также опасности увеличения диапазона контрастности от неосвещенных фрагментов сцены, почему то приводят к совершенно не обоснованному выводу о допустимости более узкой подсветки благодаря потерям площади кадра в CRT мониторах. Во первых эти потери на стандартных мониторах не превышали 5-7%, во вторых современные   LCD мониторы совершенно лишены этого недостатка. Вместе с тем это отчасти справедливо, поскольку действительно сюжетно важная часть изображения, как правило находится в центре кадра, а углы осветителей нормируются по снижению освещенности в два раза, поэтому полная диаграмма (на уровне 0,1) почти в два раза шире. Естественно, это не относится к осветителям со специальной диаграммой направленности.
Авторы пугают переотражением от стен и потолка, которое якобы уменьшает чувствительность камеры. Чувствительность, это параметр камеры, не зависящий от внешних условий, а диффузное переотражение увеличивает освещенность. Попробуйте осветить что то в ноябрьском поле или на лесной дороге, когда нет листвы, пожухлая трава и все мокрое. А как известно вода сильно поглощает ИК излучение и даже бликов не дает, чем пугают некоторые авторы. Излучение уходит и не возвращается.  А вот в помещении красота! Отражение от стен и потолка обеспечивает равномерную освещенность. Именно поэтому все тесты сделанные в обычных коридорах так отличаются от натурных. И именно поэтому приходится ездить  в «осенние просторы» для тестирования ИК осветителей или арендовать кинозалы для уменьшения отражения от стен.

Почему то утверждается, что излучение с большей длиной волны действует на меньшем расстоянии. Хотя от длины волны в этой области это не зависит, поскольку здесь нет селективного поглощения в атмосфере. Реальная дальность подсветки уменьшается исключительно за счет снижения чувствительности камеры с ростом длины волны. Освещенность же, как обычно,  для любой длины волны уменьшается по квадрату от дальности

Совершенно справедливо предостерегают от использовании камер с электронным режимом «день/ночь», в которых нет подвижного ИК-фильтра. Но это может касаться только экзотических моделей без ИК- чувствительности. В  основной своей массе эта чувствительность все таки есть. Правда не столь значительная. Но об это выше уже было сказано.

И наконец относительно «современной» ИК подсветки.
В чем собственно состоит эта современность, если основные принципы базируются на фундаментальных физических законах и применительно к системам видеонаблюдения многократно обсуждались в последние 10-15 лет.
Единственные относительные новости в этой области это тотальное распространение герметичных и купольных камер со встроенной подсветкой. В герметичных моделях наконец взяла верх технология отдельных иллюминаторов для подсветки и объектива, что позволило вместе с блендами наконец то минимизировать  распространение ИК потока в иллюминаторе и попадание его сразу в объектив. В таких камерах остался единственный недостаток встроенной подсветки – сильное освещение среды в ближней зоне камеры, где освещенная снежинка или капля воды полностью перекрывает объектив «белым». В купольных камерах постоянного визирования идея встроенной подсветки через полусферический пластик с качеством, далеким от оптического могла возникнуть только у людей, весьма далеких от этих проблем. Конечно, бленда на пружинке что то дает, но свечение купола на   вариациях плотности, переотражения в материале, а уж тем более отражения на загрязнении купола никто не отменял.

Комментарии запрещены.