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IR-LED-SPOTS …

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IR-LED-SPOTS …
… und das Thema ‚undeutlicher‘ Herstellerangaben zur „Leuchtweite“ von
LED-SPOTS für verbundene Anwendung mit videotechnischen Systemen
… traurig aber wahr: Immer wieder findet sich ein Hersteller und / oder Distributer, der es sich nicht verkneifen kann, mit solcherlei Headlines die herausragende Leistungsfähigkeit seiner Produkte anzupreisen!
Wir, die wir über mehr als 26 Jahre der Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung und im Einsatz der zur
Diskussion stehenden technischen Erzeugnisse verfügen, haben unser Angaben zu ‚Leuchtweiten‘ immer
mit Angaben zu verwendeten Kameras, Objektiven und Belichtungszeiten ergänzt. Mit Blick auf CMOSAufnehmer ist das heute nicht mehr so ganz einfach, deshalb haben wir für uns entschieden:
Diese kleine Ausarbeitung soll dazu beitragen unter Fachplanern und Errichtern videotechnischer Systeme
ein besseres Verständnis für das Thema ‚Szenenausleuchtung in der Videoüberwachungstechnik‘ zu entwickeln, dies besonders mit Blick auf die Verwendung von LED-Lichtquellen im nahen IR-Spektrum
INHALTSVERZEICHNIS
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SEITE 10
SEITE 11
SEITE 12
SEITE 13
SEITE 14
VORWORT
Leistungsaufnahme ≠ infrarote Lichtleistung
Wellenlänge der maximalen Emission (z. B. 850 nm oder 950 / 950 nm)
Winkel der Lichtausbreitung (flacher Winkel [°] / Raumwinkel [sr]
Fortsetzung: Winkel der Lichtausbreitung (flacher Winkel [°] / Raumwinkel [sr]
Systembedingte Verluste
Grundlegende Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Fortsetzung: Spektrale Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Lichtstärke des optischen Systems
Fortsetzung: Lichtstärke der optischen Systeme (Objektive)
Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot ausgeleuchteten
Bereichen im Freien
Fortsetzung: Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot
ausgeleuchteten Bereichen im Freien
Fortsetzung: Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot
ausgeleuchteten Bereichen im Freien
IR-LED-Spots vs Wärmebildkameras - Werbung … oder was soll das sein?
LightDec GmbH & Co. KG | Robert-Bosch-Straße 6 | 85053 Ingolstadt
Telefon: 0049 / 841 / 97475-29 | Telefax: Telefon: 0049 / 841 / 97475-48
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IR-LED-SPOTS …
… und das Thema ‚undeutlicher‘ Herstellerangaben zur „Leuchtweite“ von
LED-SPOTS für verbundene Anwendung mit videotechnischen Systemen
VORWORT
Als die Erfinder dieser Technik (IR-LED-Spots für videotechnische Anwendung (siehe
Gebrauchsmuster von 1989) und als Entwickler und Hersteller von Produkten der hier
zu besprechenden Art und Anwendung, sind uns die notwendigen Kenntnisse, allgemein Beleuchtungstechnik betreffend, wie auch die Grenzen der Anwendbarkeit unserer
Erzeugnisse, geläufig.
Praxistests und über 25-jährige Erfahrung in der Planung von Systemen der Videoüberwachungstechnik, Erfahrung im Umgang mit CCTV– und IP-Kameras, bis hin zur Entwicklung und Herstellung von Kameras für medizinisch-technische Anwendungen, sind
sicher Grundlage genug, dies sehr ‚verwirrende‘ Thema sach– und fachgerecht auszuleuchten.
Allgemeines
Man muss es schon ganz deutlich sagen:
Jeder Hersteller von technischen Erzeugnissen der hier zu besprechenden Art, der sich
einfach etwas von „Leuchtweiten“ in die technischen Unterlagen murmelt, und diese
Leuchtweite - ohne jede weitere Erläuterung - in Meter angibt, führt Fachplaner,
Errichter und Endkunden in die Irre.
Gebrauchsmuster
1989
Ob dies nun vorsätzlich, leichtfertig oder ohne die nötige Fachkenntnis geschieht, ist
dabei völlig nebensächlich, denn das jeweilige Ergebnis kann in vielen Fällen sein:
Man ist mit dem erreichten Resultat nicht so recht zufrieden! In manchen Fällen herrscht
so große Unzufriedenheit, dass wirtschaftlich nachteilige Folgen für den Errichter und
den Fachplaner drohen.
Auch wir selbst wollen unsere eigenen technischen Angaben in diesem Bezug noch
verfeinern, obschon das Beispiel unten zeigt, dass wir es bereits jetzt ziemlich genau
nehmen, mit unseren Hinweisen zu Leuchtweiten unserer Systeme!
(*1) In Abhängigkeit von der Lichtempfindlichkeit der eingesetzten CCD- oder CMOS-Megapixel-IPKamera, von der spektralen IR-Lichtempfindlichkeit des darin eingesetzten Sensors, von der
auf die Anwendung bezogene, als wünschenswert eingestellten, maximalen Belichtungszeit, von der
Lichtstärke (F) des eingesetzten Objektivs, vom Reflexionsgrad der Szene und der gewählten
Einstellung der Diffusoren des eingesetzten IR-LED-Spots und von dessen Wellenlänge der
maximalen Emission.
(Erläuterung: Diffusoren = heute z. T. bestimmend für den Ausbreitungswinkel)
Wir weisen also sehr deutlich darauf hin, wo der Hase im Pfeffer liegt und deuten damit
an, dass, unter Einbeziehung aller notwendigen Baugruppen, nur der VERSUCH letztlich Klarheit schaffen kann, bzw. aus und in Versuchen gewonnene Erfahrungen zukünftige Planungen erleichtern werden können.
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… und das Thema ‚undeutlicher‘ Herstellerangaben zur „Leuchtweite“ von
LED-SPOTS für verbundene Anwendung mit videotechnischen Systemen
Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘?
Die ‚aktiven‘ Faktoren:
1)
2)
3)
4)
Leistungsaufnahme und Wirkungsfaktor des Systems IR-LED-Spot
Wellenlänge der maximalen Emission (z. B. 850 nm oder 940 nm)
Winkel der Lichtausbreitung (flacher Winkel [°] / Raumwinkel [sr]
Systembedingte Verluste
zu 1) Leistungsaufnahme ≠ infrarote Lichtleistung
Insbesondere Systeme, denen entsprechende Vorschaltgeräte implementiert
sind, müssen unter diesem Gesichtspunkt genauerer Betrachtung zu unterzogen
werden.
Das gilt auch für unsere eigenen Systeme, die generell über interne Netzteile,
bzw. Spannungswandler im Falle der PoE++ - Systeme, verfügen.
Den fraglichen Geräten ist letztlich über die reine Messung des primärseitigen
Stromes in dieser Hinsicht nicht beizukommen, so lange man nicht weiß, welchen
Wirkungsfaktor das interne Netzteil aufweist.
Insbesondere so genannte Weitbereichsnetzteile sind bekannt dafür, dass ihr
Wirkungsfaktor häufig gegen 0,8 oder schlechter tendiert. Zu dieser Frage gehört
übrigens auch das Thema Oberwellen bei Systemen >25 Watt
Leistungsaufnahme.
Vergleichsmessungen - die übrigens jeder Interessierte ohne aufwendige Mess
technik selbst durchführen kann - haben hinlänglich bewiesen, dass diese
„WATT-Huberei“ in den allermeisten Fällen nur einen, auf das jeweilige Fabrikat
begrenzten, Informationsgehalt besitzt.
(Hinweise zur Durchführung von Vergleichsmessungen siehe Anhang 1)
Vor dem Hintergrund der oben geschilderten und leicht nachprüfbaren Tatsachen
ist es dann auch spannend zu betrachten, dass häufig, die im Rahmen solcher
Tests als geringer leistungsfähig erkannten Systeme, seitens der ihnen
zugeordneten Datenblätter mit - für uns Fachleute - geradezu grotesk
anmutenden „Leuchtweiten“ angepriesen werden.
Diese Vorgehensweise der Hersteller und derer Distributoren korrespondiert
mit der Tatsache, dass eben nichts über diejenigen Rahmenbedingungen ausgesagt wird, unter denen diese Angaben ermittelt wurden. Häufig findet nicht einmal
der immer noch vorhandene Unterschied der grundlegenden Lichtempfindlichkeit,
der zwischen CCD– und CMOS-Aufnehmern besteht, Erwähnung.
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Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘?
Die ‚aktiven‘ Faktoren:
1)
2)
3)
4)
Leistungsaufnahme und Wirkungsfaktor des Systems IR-LED-Spot
Wellenlänge der maximalen Emission (z. B. 850 nm oder 940 nm)
Winkel der Lichtausbreitung (flacher Winkel [°] / Raumwinkel [sr]
Systembedingte Verluste
zu 2) Wellenlänge der maximalen Emission (z. B. 850 nm oder 940 nm)
Nicht selten wünscht der Anwender von IR-LED-Spots, die IR-LEDs auch im
nächtlichen Betrieb nicht wahrnehmen zu können, wie das bei 850 nm-LED
immer dann der Fall ist, wenn direkt in den Ausbreitungswinkel der LED
geblickt wird. Dieser Wunsch geht mit der Erwartung einher, dass z. B. die
Verwendung von 940 nm-LED, bzw. 950 nm-LED „völlige Unsichtbarkeit“ böten.
850 nm-LED
Hinweis dazu: Zu Zeiten der Standard-3,5-mm-LED, konnte dieses Ziel der
gewissermaßen völligen Unsichtbarkeit noch erreicht werden. Die moderne
5-Watt-SMD-Hochleistuings-LEDs scheinen aber an der Flanke zum sichtbaren
Licht hin, allein ihrer Intensität wegen, im menschlichen Auge noch Rezeptoren
anzuregen, so dass in der Dunkelheit eines geschlossenen Raumes der Eindruck
entstehen kann: „Da ist aber noch was?!“.
Selbst der Einsatz zusätzlicher Filter, wie wir selbst sie einsetzen, kann diesen
oben geschilderten Eindruck nur wenig bedämpfen, will man die Leuchtweite
nicht allzu sehr reduzieren!
Prinzipiell gilt:
950 nm-LED
a) die ‚Leuchtweite‘
von 950 nm-LED
selbst ist nicht
reduziert, jedoch
sind
b) die Kamerasensoren in
diesem Bereich
des NIR in aller
Regel so weitgehend in ihrer
Sensitivität
geringer,
dass durchaus
c) von einer ca.
50 %gen Reduktion
der Leuchtweite
ausgegangen
werden kann!
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Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘?
Die ‚aktiven‘ Faktoren:
1)
2)
3)
4)
Leistungsaufnahme und Wirkungsfaktor des Systems IR-LED-Spot
Wellenlänge der maximalen Emission (z. B. 850 nm oder 940 nm)
Winkel der Lichtausbreitung (flacher Winkel [°] / Raumwinkel [sr]
Systembedingte Verluste
zu 3) Winkel der Lichtausbreitung (flacher Winkel [°] / Raumwinkel [sr]
Nach Möglichkeit sollten der Ausbreitungswinkel des infraroten Lichtstrahls des
LED-Spots einigermaßen mit dem Erfassungsbereich der eingesetzten Kamera
übereinstimmen. Dies gilt besonders dann, wenn Kamera und IR-LED-Spot
relativ nahe beieinander installiert und die optischen Achsen beider Geräte sehr
ähnlich ausgerichtet sind. (andere Möglichkeiten der Szenenausleuchtung
werden separat behandelt)
Häufig war und ist zu beobachten, das signalisieren auch die bekannten Absatzzahlen, dass IR-LED-Spots bevorzugt werden, deren Lichtausbreitungswinkel bei
80° liegen. In der Vergangenheit waren diese Ausbreitungswinkel meist
kegelförmig, während neuere Technologien auch asymmetrische, elliptische
Ausbreitung ermöglichen.
Grundlegend ist zu sagen, dass große Lichtausbreitungswinkel, bei gleicher infraroter Lichtleistung die Leuchtweite der Systeme drastisch verringern,
die Beleuchtungsstärke je Flächeneinheit (m²) abnimmt.
Nachfolgend: Eine Lichtquelle mit einem Lichtstrom von 1000 Lumen (lm). Im
Falle der Bündelung des Lichtstrahls von 90° auf 10° wird die Beleuchtungsstärke
in gleich bleibender Entfernung um Faktor <77 zunehmen, dafür wird aber die
beleuchtete Fläche um denselben Faktor <77 kleiner.
Flacher Winkel
Raumwinkel
Abstand
α=
Ω=
r=
°
sr
m
90
1,8403
1
90
1,8403
10
90
1,8403
100
90
1,8403
200
90
1,8403
400
Beleuchtungsstärke
E=
lx
543,3900
Flacher Winkel
Raumwinkel
Abstand
α=
Ω=
r=
°
sr
m
10
10
10
10
10
0,023909 0,023909 0,023909 0,023909 0,023909
1
10
100
200
400
Beleuchtungsstärke
E=
lx
41824,52
5,4339 0,054339 0,013587 0,0033962
418,25
4,18
1,045
0,261
Selbst als gering erachtete Unterschiede zwischen dem Erfassungswinkel einer
Kamera und dem Ausbreitungswinkel des Lichtstrahls einer Lichtquelle, wir
betrachten dafür einen Unterschied von 30° (Kamera) zu 45° (Lichtquelle) hat
zur Folge, dass die 2,23-fache infrarote Lichtleistung eingesetzt werden muss, als
sie bei angepasste0 Öffnungs– und Ausbreitungswinkeln (30°) nötig wäre,
um den in diesem Falle möglichen Maximalwert der Aufhellung zu erzielen.
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… und das Thema ‚undeutlicher‘ Herstellerangaben zur „Leuchtweite“ von
LED-SPOTS für verbundene Anwendung mit videotechnischen Systemen
Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘?
Die ‚aktiven‘ Faktoren:
1)
2)
3)
4)
Leistungsaufnahme und Wirkungsfaktor des Systems IR-LED-Spot
Wellenlänge der maximalen Emission (z. B. 850 nm oder 940 nm)
Winkel der Lichtausbreitung (flacher Winkel [°] / Raumwinkel [sr]
Systembedingte Verluste
zu 3) Fortsetzung: Winkel der Lichtausbreitung (flacher Winkel [°] / Raumwinkel [sr]
Verwenden Sie für Ihre eigenen Berechnungen bitte dieses kostenlose Applet,
das von Herrn Maurizio Tidei hier zur Verfügung gestellt wird:
http://www.stromsparlampen.eu/fotometrie_applet.html?id=1
.
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IR-LED-SPOTS …
… und das Thema ‚undeutlicher‘ Herstellerangaben zur „Leuchtweite“ von
LED-SPOTS für verbundene Anwendung mit videotechnischen Systemen
Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘?
Die ‚aktiven‘ Faktoren:
1)
2)
3)
4)
Leistungsaufnahme und Wirkungsfaktor des Systems IR-LED-Spot
Wellenlänge der maximalen Emission (z. B. 850 nm oder 940 nm)
Winkel der Lichtausbreitung (flacher Winkel [°] / Raumwinkel [sr]
Systembedingte Verluste
zu 4) Systembedingte Verluste
Als „systembedingte Verluste“ bezeichnen wir denjenigen Anteil der infraroten
Lichtstrahlung, welcher an optischen Komponenten des Gesamtsystems anfällt.
Diese sind - im Falle der Verwendung von Hochleistungs-LED - folgende:
- Verlust an Linsenvorsätzen und Diffusoren:
- Verlust an Kunststoffabdeckungen aus
infrarottransparentem Polycarbonat:
ca. 10%
ca. 10%
Auch dies zeigt, dass weder die „Watt-Huberei“ bzgl. der Leistungsaufnahme,
noch die Addition der infraroten Lichtleistung der einzelnen LED bei Nennstrom,
vonseiten der LED-Hersteller in mW/sr ausgewiesen, ausreichend ist, die
Wirksamkeit des Gesamtsystems zu beurteilen.
Komplett ‚verwirrend‘ wird es übrigens dann, wenn ein namhafter Distributer
die infrarote Lichtleistung einer IR-LED-Lichtquelle mittels der physikalischen
Einheit Lumen beziffert, dabei 249 lm angibt und diese Angabe mit einer
„Leuchtweite“ von 150 m ergänzt.
Das bedeutete, dass in einer Entfernung von 150 m noch exakt 0,27 lx zu
messen sein würden, wäre die physikalische Einheit zutreffend gewählt.
WIKIPEDIA
1 Lumen ist definiert als der Lichtstrom einer 1,464 mW starken 555-nm-Lichtquelle (gelbgrün) mit
100 % Lichtausbeute. Dabei ist 555 nm diejenige Wellenlänge, bei der das menschliche Auge gemäß
V-Lambda-Kurve seine maximale Empfindlichkeit hat. Dagegen liefert eine ebenfalls 1,464 mW
starke rote Lichtquelle nur etwa 0,1 lm, d.h. sie wird als 10mal weniger hell wahrgenommen, da das
Auge in diesem Farbbereich nur 10 % der Empfindlichkeit im Vergleich zum Grünen besitzt.
Der Lichtstrom ist ein Maß für die gesamte von einer Strahlungsquelle ausgesandte sichtbare
Strahlung. Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Lumen_%28Einheit%29
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LED-SPOTS für verbundene Anwendung mit videotechnischen Systemen
Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘
Die ‚passiven‘ Faktoren.
A)
B)
C)
D)
E)
Grundlegende Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Spektrale Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Lichtstärke des optischen Systems (F)
Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot ausgeleuchteten
Bereichen im Freien
IR-LED-Spots vs. Wärmebildkameras - nichts als nur sachunkundige Werbung
zu A) Grundlegende Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Die grundlegende Lichtempfindlichkeit von Kamerasensoren wird meist in der
physikalischen Größe Lux (lx) angegeben. Seit geraumer Zeit wird dieser Angabe
die Lichtstärke (F) eines einzusetzenden optischen Systems hinzugefügt, was
bedeuten soll, dass der jeweils angegebene Wert in Lux, bei Verwendung eines
Objektivs z. B. der Lichtstärke F1:1,2 ‚gemessen‘ wurde.
Beispiel:
Lichtempfindlichkeit (Farbbetrieb):
Lichtempfindlichkeit (s/w-Betrieb):
0,2 lx / F1:1,2
0,01 lx / F1:1,2
Die spätere Behandlung des Themas „Blendereihe“ wird aufzeigen, welche
Bedeutung der Lichtstärke F eines Objektiv in den hier zu behandelnden
Zusammenhänge zukommt.
Die Verwendung der physikalischen Einheit „Lux“ (lx), zeigt schon an, dass der
jeweils angegeben Wert sich auf sichtbares Licht, nicht aber auf Licht im
NIR-Spektrum bezieht. Allerdings ist dieser Wert nicht so gänzlich ohne Belang,
macht er doch eine Unterscheidung der generellen Lichtempfindlichkeit eines
Kamerasystems zu einem anderen möglich.
Ungeachtet dessen, können wir aus diesem jeweils angegebenen Wert keine
direkten Schlussfolgerungen bzgl. der hier zu behandelnden Anwendung von
Kameras im infraroten Spektrum (NIR) des Lichts ziehen, weil nun die …
B)
Spektrale Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
… behandelt werden muss!
Wie auch das menschliche Auge,
sind die Kameraaufnehmer, gleichgültig ob nun CCD oder CMOS,
über die Bandbreite des sichtbaren Lichts unterschiedlich
sensitiv. Dabei ist zu berücksichtigen, dass diese Abweichungen, fabrikats- und typbe-.
zogen unterschiedlich ausfallen.
Beispiel der relativen Lichtempfindlichkeit unterschiedlicher Aufnehmer nebst der Kurve der Empfindlichkeit
des menschlichen Auges
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… und das Thema ‚undeutlicher‘ Herstellerangaben zur „Leuchtweite“ von
LED-SPOTS für verbundene Anwendung mit videotechnischen Systemen
Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘
Die ‚passiven‘ Faktoren.
A)
B)
C)
D)
E)
Grundlegende Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Spektrale Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Lichtstärke des optischen Systems (F)
Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot ausgeleuchteten
Bereichen im Freien
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zu B) Fortsetzung: Spektrale Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Es gilt eine wichtige Anmerkung zu
den rechts gezeigten Kurven zu
machen:
CCD
Die Verläufe dieser Kurven beziehen
sich ausschließlich auf die spektrale
Empfindlichkeit eines Sensors, geben
jedoch keine Auskunft über die
jeweiligen Pegel der Lichtempfindlichkeit von CCD, CMOS oder dem
menschlichen Auge!
Weiter ist zu erkennen:
CMOS
Menschliches
Auge
850 nm
950 nm
- Das menschliche Auge kann IR-Strahlung nicht wahrnehmen*
- CCD-Sensoren sind bei 850 nm sensitiver als CMOS-Sensoren
- Der Abfall der Flanke nach 950 nm fällt bei CMOS stärker aus, als bei CCD**
* Das ist insofern nicht ganz richtig, dass intensiv strahlende IR-Lichtquellen, sofern man direkt hin
einschaut, durchaus noch Rezeptoren im menschlichen Auge anregen!
** Diese Darstellung muss nicht in jedem Fall Gültigkeit haben, eher schlägt unterm Strich die
allgemeine Lichtempfindlichkeit des Sensors zu Buche.
Es gilt zu beachten, dass die
spektrale Sensitivität von CCD–
und CMOS-Sensoren deutliche
Unterschiede aufweisen kann.
Da diese Kurven vonseiten der
Anbieter von Überwachungskameras nur selten oder nie
gezeigt werden, fehlen diese
Informationen und können, selbst
nur theoretisch, nicht in eine
Planung einfließen.
Darstellung der spektralen Empfindlichkeitsunterschiede des
Auges und einer Auswahl von Standard bildsensoren für die
industrielle Bildverarbeitung.
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LED-SPOTS für verbundene Anwendung mit videotechnischen Systemen
Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘
Die ‚passiven‘ Faktoren.
A)
B)
C)
D)
E)
Grundlegende Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Spektrale Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Lichtstärke des optischen Systems (F)
Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot ausgeleuchteten
Bereichen im Freien
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zu C) Lichtstärke des optischen Systems (Objektive)
Die Frage großes Fenster oder kleines Fenster …
entscheidet darüber ob mehr oder weniger Tageslicht in einen Raum fällt!
Die weitere Frage der Raumtiefe entscheidet über die Aufhellung der Wand, die
einem Fenster gegenüberliegt!
Nicht anders verhält es sich es mit Kameraobjektiven!
ZITAT WIKIPEDIA:
Der Wert bei voll geöffneter Blende wird als Lichtstärke bezeichnet. Ein Objektiv
mit Blende 2 hat bei 50 mm Brennweite einen effektiven Öffnungsquerschnitt
(Durchmesser der Eintrittspupille) von 25 mm, die Eintrittspupille eines
135 mm-Teleobjektivs gleicher Lichtstärke hat dagegen bereits einen Durchmesser von 67,5 mm.
Die Blendenreihe ist so angelegt, dass die durch das Objektiv fallende Lichtmenge sich von Blendenstufe zu Blendenstufe halbiert, wenn die nächste Blen
denstufe einen höheren Wert hat (beispielsweise 11 → 16) oder verdoppelt,
wenn die nächste Blendenstufe einen kleineren Wert hat.
(beispielsweise 11 → 8).
Der Blendendurchmesser D vergrößert bzw. verkleinert sich von Blendenstufe
zu Blendenstufe um den Faktor √2 bzw. 1/√2, wodurch sich Fläche und Lichtmenge verdoppeln bzw. halbieren.
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Blendenreihe_%28Optik%29
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Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘
Die ‚passiven‘ Faktoren.
A)
B)
C)
D)
E)
Grundlegende Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Spektrale Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Lichtstärke des optischen Systems (F)
Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot ausgeleuchteten
Bereichen im Freien
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zu C) Fortsetzung: Lichtstärke de optischen Systems (Objektive)
Bei Betrachtung angeblicher „Leuchtweiten“, gerade wenn diese dann schon über
die 150, 200 oder gar 300 m hinausgehen, stellt sich sofort die Frage danach,
was denn genau in einer derartigen Entfernung abgebildet werden soll.
Zwecks weiterer Betrachtung wählen wir:
Aufgabe:
Abmessungen des Objekts:
Entfernung:
Format des CMOS-Aufnehmers:
Notwendiges f=:
Verfügbares f=:
Lichtstärke F:
IR-LED-Spot:
Leistungsaufnahme LED-Spot:
Lichtstrom: (falscher Terminus)
IP-Kamera:
Sensor:
Sensorfläche:
Lichtempfindlichkeit:
Volle Abbildung eines Objekts
B 25 m x H 18,62 m / Diagonale: 31,172 m
200 m
1/2,7“ = 5,37 x 4,0 mm = Diagonale 6,7 mm
43 mm = Öffnungswinkel = 10°
8-50 mm (F03Z06NDDC-MP)
1:1,6
13° / 850 nm / 30 W / ENEO IRLED-402S
30 Watt
498 lm (falsche physikalische Einheit)
ENEO GXC-1710M
1/2.7" 2.0 Megapixel CMOS-Sensor ^
5,37 mm x 4,0 mm (BxH)
Farbe 0,2 Lux / s/w 0,01 Lux bei F1:1,2
^
Zwischenfrage zu den falsch gewählten Termini Lichtstärke und Lumen:
Wenn eine Hochvolt-Halogenlampe, bei einer Leistungsaufnahme von 40 Watt
einen Lichtstrom von 500 lm erzeugen kann, wie soll dann eine IR-LED-Lichtquelle mit einer Leistungsaufnahme von 30 Watt, wovon mit hoher Sicherheit
zwischen 4,5 und 6,0 Watt im Weitbereichsnetzteil als Verlustleistung anfallen,
einen ‚Lichtstrom‘ [was ohnehin ein falsch gewählter Terminus ist] von
498 Lumen erzeugen können?
Ausgehend davon, dass zwischen F1:1,2 und F1:1,6 etwa 2/3-Blenden liegen,
muss also in einer Entfernung von 200 m eine Beleuchtungsstärke von
0,0232 Lux erzeugt werden, dass der Kamerasensor auf ‚seine Kosten‘ kommt!
Das scheint mit der Angabe von 498 ‚Lumen‘ = 0,31 lx in 200 m Entfernung
gut gelingen zu können! Scheint! Aber: Wer hat das je getestet und gemessen?
Das kann nicht getestet worden sein, weil es weder getestet, noch, unter
Berücksichtigung falsch gewählter Termini, überhaupt gemessen werden kann!
Spätestens jetzt stellt sich die folgende Frage: Welchen Nutzen kann ein
Fachplaner oder ein Errichter von video- technischen Überwachungssyste
men aus solchen Datenblättern ziehen, außer den, einer fulminanten ^
Fehlplanung?
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Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘
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A)
B)
C)
D)
E)
Grundlegende Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Spektrale Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Lichtstärke des optischen Systems (F)
Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot ausgeleuchteten
Bereichen im Freien
IR-LED-Spots vs. Wärmebildkameras - nichts als nur sachunkundige Werbung
zu D) Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot ausgeleuchteten
Bereichen im Freien
Es ‚leuchtet‘ ein, dass das Reflexionsverhalten dessen, was im nächtlichen
Betrieb videotechnisch überwacht werden soll, eine nicht unbeträchtliche Rolle
hinsichtlich des zu erwartenden Ergebnisses spielt.
Beispiel 1:
Niemand wird
bestreiten, dass
hier eine sehr gut
ausgeleuchtete
Szene gezeigt
wird. Eingesetzt
wurden hier eine
3 MPix-Kompaktkamera und ein
850nm--LED-Spot
mit einer Leistungsaufnahme von
70 Watt, dessen
interne Netzteile
einen Wirkungsgrad
von 0,95 bis 0,97 aufweisen.
Nun stelle man sich einfach vor, das Gebäude wäre nicht vorhanden, stattdessen
breite sich die Wiese aus, ein paar Bäume und Busche drin.
Sind noch Fragen? Vermutlich nicht!
Eine Erklärung dazu:
Die starke Reflexion des Gebäudes sorgt natürlich dafür, dass die Blende des
Objektiv auf kleinere Öffnung regelt, bzw. die AGC nach geringerer Verstärkung.
Stünde die starke Reflexion nicht zur Verfügung, wäre dies nicht der Fall, was
dann zwar die Bildhelligkeit wieder erhöhte, damit aber auch das Bildrauschen
verstärkte, was schon für sich betrachtet die Detailauflösung sehr beeinträchtigte.
Gleichzeitig wird auch die Objektivblende nach größerer Blendenöffnung regeln,
was die Bildschärfe zusätzlich, durch Verringerung der Schärfentiefe, negativ
beeinflussen würde.
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IR-LED-SPOTS …
… und das Thema ‚undeutlicher‘ Herstellerangaben zur „Leuchtweite“ von
LED-SPOTS für verbundene Anwendung mit videotechnischen Systemen
Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘
Die ‚passiven‘ Faktoren.
A)
B)
C)
D)
E)
Grundlegende Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Spektrale Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Lichtstärke des optischen Systems (F)
Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot ausgeleuchteten
Bereichen im Freien
IR-LED-Spots vs. Wärmebildkameras - nichts als nur sachunkundige Werbung
zu D) Fortsetzung: Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot
ausgeleuchteten Bereichen im Freien
Es ‚leuchtet‘ ein, dass das Reflexionsverhalten dessen, was im nächtlichen
Betrieb videotechnisch überwacht werden soll, eine nicht unbeträchtliche Rolle
hinsichtlich des zu erwartenden Ergebnisses spielt.
Beispiel 2:
(LED-Spot 850 nm / 120°)
Dieses Beispiel zeigt
was in der
Beschreibung zu
Beispiel 1 schon
angedeutet wird:
Die AGC regelt nach
höherer Verstärkung,
die Objektivblende
regelt nach
größerer Blendenöffnung, das Bildrauschen nimmt zu,
die Detailauflösung
wird schlechter.
Die beiden Beispiele können unseres Erachtens das zu lösende Problem recht
gut beschreiben, zeigen aber auch, dass mit pauschalen „Leuchtweiten“Versprechen, auch dann nicht viel anzufangen ist, sofern sie mit dem
nebenordnenden Adjektiv „bis“ versehen werden.
An dieser Stelle muss wiederholt werden, was wir als nötige Einschränkung
zu Leuchtweitenangaben in Metern erachten, damit Planer und Errichter das
zugrunde liegenden Problem frühzeitig erkennen können:
(*1) In Abhängigkeit von der Lichtempfindlichkeit der eingesetzten CCD- oder CMOS-Megapixel-IPKamera, von der spektralen IR-Lichtempfindlichkeit des darin eingesetzten Sensors, von der
auf die Anwendung bezogene, als wünschenswert eingestellten, maximalen Belichtungszeit, von der
Lichtstärke (F) des eingesetzten Objektivs, vom Reflexionsgrad der Szene und der gewählten
Einstellung der Diffusoren des eingesetzten IR-LED-Spots und von dessen Wellenlänge der
maximalen Emission.
(Erläuterung: Diffusoren = heute z. T. bestimmend für den Ausbreitungswinkel)
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IR-LED-SPOTS …
… und das Thema ‚undeutlicher‘ Herstellerangaben zur „Leuchtweite“ von
LED-SPOTS für verbundene Anwendung mit videotechnischen Systemen
Welche Faktoren beeinflussen die ‚Leuchtweiten‘
Die ‚passiven‘ Faktoren.
A)
B)
C)
D)
E)
D)
Grundlegende Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Spektrale Lichtempfindlichkeit des CCD– oder CMOS-Sensors
Lichtstärke des optischen Systems (F)
Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot ausgeleuchteten
Bereichen im Freien
IR-LED-Spots vs. Wärmebildkameras - nichts als nur sachunkundige Werbung
Fortsetzung: Reflexionsverhalten in kameraüberwachten und infrarot
ausgeleuchteten Bereichen im Freien
Allgemeines zur Reflexion von farblich bewertungsfähigen Oberflächen:
Reflexion von Farben
F
Reflexion von Materialien
F
Weiss
0.85-0.75
Silberspiegel hinter Glas
0.88-0.80
Hellgelb
0.70-0.60
Aluminium hochglänzend
0.87-0.80
Hellgrau
0.60-0.40
Papier weiss
0.80-0.70
Hellgrün
Mittelgrau
0.55-0.45
0.35-0.25
Aluminium matt
Marmor poliert
0.75-0.55
0.35-0.30
Bittelbarun
0.30-0.20
Teppich hell
0.35-0.30
Dunkelgrau und andere dunkle Farben
0.20-0.10
Holz hell
0.35-0.20
Das Reflexionsverhalten von Gegenständen, oder des Bewuchses von Gelände,
weicht im infraroten Lichtspektrum von der oben gezeigten Tabelle aus zwei
Gründen ab: Es geht dort um Farben und Materialien und um sichtbares Licht.
Die Grafik rechts macht deutlich,
dass Blattwerk von Bäumen
und Sträuchern, also chlorophyllhaltiges Material, im NIRSpektrum einen deutlich
höheren Reflexionsgrad
als im sichtbaren Bereich des
Lichts aufweist. Belaubung wird
also unter IR-Lichtbedingungen
deutlich heller reflektiert und
abgebildet als z. B. trockener Boden oder Wasserflächen. Im sichtbaren Bereich
des Lichts verhält sich das exakt andersrum.
Im infraroten Lichtspektrum, präziser als das „Nahe IR-Spektrum“ (NIR)
bezeichnet, verändert sich das Reflexionsverhalten so weitgehend, dass
z. B. ein dunkelblaues Jackett aus Wolle als ‚strahlend‘ weiße ‚Kellnerjacke‘
abgebildet wird.
Allerdings ist es meist so, dass kameraüberwachte Gelände nicht nur aus diesem
der jenem Material bestehen. Es wird sich, so gut wie in jedem Fall, um eine
Mischung aus allem zeigen. Bebauung, Fassadenanstriche, Straßen, Wege,
Plätze, Bepflanzung; es wird also häufig von alldem etwas darin enthalten sein.
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IR-LED-SPOTS …
… und das Thema ‚undeutlicher‘ Herstellerangaben zur „Leuchtweite“ von
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E)
IR-LED-Spots vs Wärmebildkameras - nichts als nur sachunkundige Werbung
Als ‚interessante‘ Werbestrategie
für IR-LED-Spots möchten wir
zum Ende unserer Ausarbeitung auf
ein ‚Fight‘ hinweisen, den ein namhafter
Hersteller von IR-LED-Spots ausgerufen hat. Es hat allerdings den
Anschein, dass der Ausgang dieses
‚Fights‘ bereits vor Beginn der ersten
Runde festgestanden hat. Zuerst hat
man annehmen können, das Ganze
sei irgendwie witzig gemeint,
doch schnell hat sich herausgestellt:
Man meint das wirklich ernst!
Neben der unbestreitbaren Tatsache,
dass sowohl die eine, wie auch die
andere Technik Vorzüge und NachTeile in der Anwendung aufweist, ist
zu sagen: Ein auf diese Weise durchgeführter Vergleich der Anwendung
unterschiedlicher Techniken, ist aus
unserer Sicht absolut unseriös.
Begründung: Wärmebildkameras
werden in der Videoüberwachungstechnik vorzugsweise dort eingesetzt, wo es
um die Überwachung tieferer Gelände geht, wobei die ‚Identifizierung‘ von Personen keine Rolle spielt. Es soll in den allermeisten Fällen nur festgestellt werden,
ob sich im überwachten Bereich ein Gegenstand oder ein Lebewesen - Mensch
oder Tier - befindet, der/das dort nicht hingehört! Diese Aufgabe zu meistern ist
der IR-Technik in vielen Fällen verwehrt.
Nachbearbeitet?
Beispiel: Würden die beiden oben abgebildeten Personen sich nicht
im Vordergrund, sondern am oberen Bildrand, zwischen den Bäumen und
Büschen befinden, könnten sie dort nicht mehr wahrgenommen werden, weil zur
Reflexion des Bewuchses kein Kontrast mehr zu den Personen entstehen könnte.
Erschwerend würde sich das IR-Reflexionsverhalten von chlorophyllhaltigem
Material, also dem Blattwerk von Büschen und Bäumen, bemerkbar machen.
Die Anwendung der Wärmebildkamera würde aber immer noch möglich machen,
diese Personen zwischen ebendiesem Bewuchs so gut ‚aufzuhellen‘, dass der
dabei entstehende Kontrast zum Buschwerk ausreichen würde, mittels digitaler
Bildauswertung eine Aufzeichnung und/oder eine Alarmierung zu starten.
Was diese Bilder ebenfalls nicht zeigen: Wärmebildkameras können ihre Vorteile,
die natürlich ihren Preis haben, vor allem dann ausspielen, wenn aktive Szenenausleuchtung lange schon an ihre Grenzen gekommen ist.
Diese sind u. a.:
Nicht bearbeitet!
Schwere Nebellagen und/oder schwere Regenfälle!
Wir selbst würden einen solchen Vergleich niemals anstellen, geschweige denn, ihn dann auch
noch zu veröffentlichen! Schließlich würde man ja seine technische Reputation zu verlieren haben!
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