Dobór długości fali oświetlacza podczerwieni, który ma być zastosowany w kamerze CCTV, nie sprowadza się wbrew pozorom do prostych rozważań nt. zasięgu. W praktyce trzeba znaleźć kompromis pomiędzy wieloma zjawiskami i parametrami: szczątkową widocznością promieniowania dla człowieka, czułością krzemowej matrycy CMOS lub CCD, a także charakterystyką samego emitera LED. Najczęściej rozważa się okolice 850 nm i 940 nm, ponieważ obie długości fali znajdują się już poza zasadniczym zakresem widzenia ludzkiego oka, ale nadal są dość skutecznie wykrywane przez krzemowe sensory obrazu. Jak się jednak okazuje, różnica długości fali poszczególnych diod LED IR ma bardzo duże znaczenie praktyczne.
Poświata wokół obiektywu kamery? To nie znaczy, że zobaczyłeś podczerwień
W technice fotometrycznej odniesieniem dla opisu widzenia dziennego jest tzw. funkcja skuteczności świetlnej V(λ). CIE udostępnia tabelę z wartościami tej funkcji w krokach co 1 nm, a jej źródłem jest norma CIE 018:2019. Dane te stanowią standardową podstawę fotometrii. Maksimum funkcji przypada w części widma odpowiadającej światłu zielonemu (dokładnie 555 nm), natomiast w kierunku czerwieni (czyli wraz ze wzrostem długości fali) czułość oka gwałtownie maleje. Przykładowo: 10-krotny spadek czułości względem punktu 555 nm przypada już przy 650 nm, zaś 100-krotny – przy 687 nm. Około 720 nm czułość ludzkiego oka stanowi zaledwie 1/1000 wartości maksymalnej, a przy 830 nm charakterystyka maleje do wartości około 0,00000045 (0,000045% maksimum). Oznacza to, że promieniowanie w tej części widma optycznego jest dla człowieka praktycznie niewykrywalne za pomocą wzroku.
Co ciekawe, w praktyce wcale nie oznacza to, że każdy oświetlacz IR okaże się dla nas niewidoczny. Diody LED mają bowiem pewną szerokość widmową i to nierzadko dość sporą. Część emisji trafia zatem w pobliże najdalszego krańca widma widzialnego, które można opisać jako „głęboką czerwień”. Dla przykładu: w karcie katalogowej diody SFH 4715A firma ams OSRAM podaje, że maksymalna moc promieniowania jest osiągana przy długości fali 860 nm, centroid (środek) widma leży w punkcie 850 nm, zaś typowa szerokość połówkowa piku widmowego (FWHM) wynosi 30 nm. Warto jednak zwrócić uwagę, że w parametr FWHM mówi jedynie o szerokości widmowej mierzonej pomiędzy punktami 50-procentowej intensywności emisji, leżącymi na wstępującym i zstępującym ramieniu krzywej. Dolna część charakterystyki jest jednak znacznie bardziej „rozlana” i z powodzeniem zahacza nawet o zakres poniżej… 750 nm!
Matryca CMOS widzi „dalej” w podczerwieni – o ile optyka na to pozwoli
Krzemowy piksel matrycy CMOS lub CCD zachowuje użyteczną czułość w paśmie bliskiej podczerwieni (NIR), ale nie jest ona stała w całym zakresie roboczym. W ramach przykładu wybraliśmy liniową matrycę S9226 marki Hamamatsu, której typowa czułość spektralna jest nadal bardzo wysoka (50% maksimum) w okolicach 850 nm, ale konsekwentnie spada poniżej 10% przy długości fali 1000 nm. Podobne charakterystyki można znaleźć także dla innych modeli 1- i 2-wymiarowych matryc krzemowych, a wynika to wprost z tych samych, kwantowych zjawisk zachodzących w sieci krystalicznej półprzewodnika.
Warto pamiętać, że w wielu kamerach dodatkowym elementem toru optycznego jest filtr IR-cut, umieszczany często jako niewielka, kwadratowa płytka wklejona za tylną soczewką obiektywu lub (w przypadku większych matryc stosowanych m.in. w lustrzankach i bezlusterkowcach) – cienka warstwa znajdująca się bezpośrednio na czujniku obrazu. Podczas pracy w świetle dziennym filtr ten ogranicza wpływ podczerwieni na odwzorowanie barw, ale w celu obsługi trybu nocnego musi on zostać usunięty z toru optycznego (co może być wykonywane mechanicznie w niektórych modelach kamer). Bez tego nawet dobrze dobrany oświetlacz IR nie da oczekiwanego efektu, bo promieniowanie zostanie w dużej części odcięte jeszcze przed dotarciem do matrycy.
850 nm kontra 940 nm, czyli praktyczny kompromis
Z uwagi na czułość detektorów krzemowych, spadającą wraz ze wzrostem długości fali w zakresie NIR, diody około 850 nm są naturalnym wyborem, gdy priorytetem jest zasięg oświetlacza. Przy tej długości fali krzemowy sensor osiąga znacznie większą względną czułość niż przy 940-950 nm, więc przy porównywalnej mocy promieniowania kamera uzyskuje większy sygnał użyteczny. W praktyce oznacza to mniejsze wymagane wzmocnienie, niższy szum obrazu i/lub możliwość oświetlenia sceny z większej odległości.
Diody IR 940 nm są mniej zauważalne dla człowieka, ponieważ ich widmo jest bardziej oddalone od czerwonego krańca widma widzialnego. Przykładowa dioda ams OSRAM SFH 4725AS ma długość fali szczytowej na poziomie 950 nm i FWHM równą 37 nm (patrz wykres powyżej), ale inne emitery pracujące w tym przedziale spektrum zachowują się dość podobnie.
Ceną za dyskrecję oświetlenia 940-950 nm jest obniżony zasięg. Nałożenie charakterystyki sensora krzemowego na widma diod pokazuje, że przy 940-950 nm matryca pracuje już na krańcu opadającego zbocza swojej odpowiedzi spektralnej. Oznacza to często konieczność zwiększenia mocy promieniowania lub liczby diod, a także dostosowania apertury optyki, czasu ekspozycji albo wzmocnienia analogowego samego czujnika obrazu.
Sztuka kompromisu
Zasada doboru diod do oświetlacza IR jest zatem dość jednoznaczna. Jeżeli kamera ma osiągać możliwie duży zasięg nocny, a delikatna czerwona poświata nie jest problemem, najlepszym wyborem pozostają zwykle emitery o długości fali około 850 nm. Jest to rozwiązanie najbardziej uniwersalne dla typowych kamer CCTV, zwłaszcza w monitoringu zewnętrznym i przemysłowym. Jeśli natomiast priorytetem jest dyskrecja, a zasięg może być mniejszy, zdecydowanie warto rozważyć diody 940 nm. Taki oświetlacz będzie zwykle całkowicie niezauważalny dla człowieka, ale trzeba liczyć się z niższą jakością obrazu przy tych samych parametrach optyki i odległości sceny.
Źródła danych liczbowych wykorzystanych w artykule:
https://cie.co.at/datatable/cie-spectral-luminous-efficiency-photopic-vision
https://look.ams-osram.com/m/a6764b5b66a62ef/original/SFH-4715A.pdf
https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-photonics/sites/documents/99_SALES_LIBRARY/ssd/image_sensor_kmpd0002e.pdf
https://look.ams-osram.com/m/254253f44f4fc1ad/original/SFH-4725AS.pdf
