Как ИК-фильтр влияет на дневное и ночное изображение камеры

Введение: Почему камера должна по-другому обрабатывать инфракрасный свет?

Ожидается, что камера наблюдения будет создавать естественное изображение при дневном свете и оставаться полезной после захода солнца. Эти два рабочих условия создают проблему, которую легко не заметить: датчик изображения может реагировать на свет, выходящий за рамки человеческого зрения.

Многие датчики изображения чувствительны к ближнему инфракрасному излучению. Это может быть полезно, если камера рассчитана на инфракрасное освещение, но также может повлиять на цветопередачу при дневном свете. Материалы, которые похожи на человеческий глаз, могут по-разному отражать инфракрасную энергию, поэтому листва, ткани, оттенки кожи и другие объекты могут выглядеть необычными цветами, если ближний инфракрасный свет достигает датчика.

АнИК-фильтробычно используется для контроля этой нежелательной инфракрасной энергии. В камере «день/ночь» фильтр можно перемещать в оптический путь или из него в зависимости от условий освещения. Фильтр представляет собой небольшой компонент, но его поведение влияет на всю систему формирования изображения.

Для производителей камер и покупателей оптики важным моментом является то, что фильтр, объектив, датчик и механизм переключения следует рассматривать вместе. Выбор каждого компонента по отдельности может привести к смещению цвета, изменению фокуса или нестабильному качеству изображения.

Что такое ИК-фильтр

ИК-фильтр — это оптический фильтр, предназначенный для пропускания видимого света при одновременном уменьшении пропускания в указанной инфракрасной области. Точные характеристики отсечки зависят от конструкции фильтра и предполагаемого отклика датчика.

В обычной цветной камере управление энергией ближнего инфракрасного диапазона помогает сенсору более точно воспроизводить цвета с тем, что видят люди. Без подходящего ИК-фильтра чувствительность к инфракрасному излучению может влиять на красный, зеленый и синий каналы и создавать цветовые ошибки, которые обработка изображения не может полностью исправить.

Фиксированного фильтра часто бывает достаточно для камер, работающих в одном определенном режиме освещения. Однако камера «день/ночь» может использовать механизм переключения. В течение дня,ИК-фильтрразмещается перед датчиком для обеспечения более точной цветопередачи. Ночью его отодвигают, чтобы датчик мог получать больше энергии ближнего инфракрасного диапазона, часто от ИК-светодиодов.

Эту схему переключения обычно называют механизмом ICR. Механическое перемещение может быть небольшим, но повторяемость положения фильтра и стабильность оптического узла важны для конечного результата.

Почему дневной цвет зависит от инфракрасного контроля

Сенсор камеры не видит мир так, как человеческий глаз. Его спектральный отклик может распространяться на длины волн, близкие к инфракрасному, в зависимости от конструкции датчика и любых фильтров в модуле.

Когда инфракрасная энергия достигает датчика цвета, она может влиять на измеряемые значения канала. Белый объект под солнечным светом может отражать видимую и инфракрасную энергию в иной пропорции, чем цветной объект. Таким образом, камера может записывать цвета, которые выглядят неестественно, даже если экспозиция и баланс белого кажутся разумными.

Правильно выбранный ИК-фильтр помогает ограничить этот эффект. Он поддерживает более стабильную цветопередачу и упрощает последовательную обработку изображения с камеры в различных сценах.

Однако ИК-фильтр не является универсальным решением для цветокоррекции. Светопропускание объектива, спектральная чувствительность сенсора, тип источника света, покровное стекло и обработка сигнала изображения — все это влияет на конечный цвет. Если к проекту предъявляются строгие требования к цвету, весь модуль следует оценивать при репрезентативных источниках дневного света, а не полагаться только на номинальное значение отсечки фильтра.

Почему для ночной съемки нужен другой оптический путь

Ночью камера может использовать светодиоды ближнего инфракрасного диапазона для освещения сцены. ЕслиИК-фильтростается на месте, большая часть света может быть отклонена до того, как он достигнет датчика. Удаление фильтра позволяет большей части этой энергии пройти через объектив и достичь датчика.

Это не означает, что все камеры становятся одинаково эффективными ночью после снятия фильтра. Объектив должен передавать соответствующие длины волн ближнего инфракрасного диапазона, датчик должен иметь подходящую чувствительность, а освещение должно охватывать требуемую сцену.

Объектив, оптимизированный только для видимого света, может не обеспечить такую ​​же фокусировку или качество изображения в ближнем инфракрасном диапазоне. Некоторые оптические системы демонстрируют разницу в фокусировке между длинами волн видимого и ближнего инфракрасного диапазона. Вот почему объектив с ИК-коррекцией может быть важен в камерах, которым нужны полезные изображения в обоих режимах.

При выборе объектива для дневной/ночной камеры подтвердите диапазон длин волн, который важен для проекта. Не думайте, что фраза «поддерживает IR» содержит достаточно технических подробностей. Узнайте предполагаемый рабочий диапазон и условия, при которых оцениваются фокусировка и качество изображения.

Проблема смещения фокуса: видимый свет и ближний инфракрасный диапазон не идентичны

Волны разной длины могут фокусироваться в разных положениях, поскольку оптические материалы по-разному преломляют свет по всему спектру. Такое поведение известно как хроматическая аберрация. В камере, которая переходит от съемки в видимом свете к ночной съемке с помощью инфракрасного излучения, положение фокуса, которое выглядит правильным днем, может не оставаться идеальным ночью.

Размер эффекта зависит от оптического рецепта, выбора материала, апертуры, диапазона длин волн и конфигурации датчика. Это может быть более заметно в приложениях, требующих мелких деталей или использующих относительно большую диафрагму.

Разработчики оптики могут управлять этим поведением, выбирая подходящие материалы и балансируя оптическую конструкцию в предполагаемом спектральном диапазоне. Практическая оценка должна включать изображения как в видимом, так и в ближнем инфракрасном диапазоне, используя фактические данные.ИК-фильтрУстройство и датчик.

Для отделов закупок это означает, что объектив не должен утверждаться исключительно на основе образца дневного изображения, если ожидается, что окончательная камера переключится на работу в инфракрасном диапазоне. Запросите данные для обоих режимов и проверьте, предназначен ли механизм фокусировки или конструкция объектива для поддержки полного рабочего диапазона.

Механическая надежность механизма ICR

Механизм переключения фильтров помимо оптических предъявляет механические требования. Фильтр должен переместиться в правильное положение и оставаться там устойчивым. Если механизм плохо отрегулирован, работает медленно, шумно или нестабильно, камера может показывать видимые артефакты или не сможет надежно переключаться.

Механизм также работает внутри компактного корпуса камеры, где доступное пространство, температура, вибрация и длительная езда на велосипеде могут повлиять на надежность. Камера, используемая на открытом воздухе, может испытывать повторяющиеся смены дня и ночи и широкий диапазон условий окружающей среды.

При разработке продукта командам следует учитывать срок службы переключения, повторяемость положения, рабочую температуру, воздействие вибрации и механическое соединение между держателем фильтра и модулем камеры. План испытаний должен отражать ожидаемый рабочий цикл, а не просто несколько демонстраций ручного переключения.

Команды оптиков и механиков также должны согласовать апертуру и положение фильтра. Фильтр, который технически подходит, но частично отсекает оптический путь, может уменьшить освещенность или создать неравномерное поведение изображения.

Что следует подтвердить покупателям перед выбором объектива «день/ночь»?

Полезный запрос цен должен содержать описание системы камеры и условий ее эксплуатации. Следующая информация поможет поставщику линз оценить требования:

Модель датчика, формат, размер пикселя и спектральный отклик, если таковой имеется.

Использует ли камера фиксированный ИК-фильтр или подвижный механизм ICR.

Необходимы видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн.

Фокусное расстояние объектива, поле зрения, диафрагма и механическая оболочка.

Использует ли камера встроенные ИК-светодиоды и приблизительную длину волны освещения.

Обязательное поведение фокусировки в дневном и ночном режимах.

Рабочая температура и ожидаемая частота переключения.

Целевые показатели качества изображения, включая производительность по центру и краям.

Также полезно предоставить образцы изображений или описать целевую сцену. Камера, предназначенная для входа в жилой дом, может иметь иные приоритеты, чем камера дорожного движения или система промышленного мониторинга.

Избегайте сравнения объективов только по фокусному расстоянию и диафрагме. Два объектива с одинаковыми характеристиками могут вести себя по-разному в сочетании с определенным датчиком и набором ИК-фильтров.

Как проверить камеру в целом

Практический план проверки должен включать дневные цветные сцены, сцены при слабом освещении и ночные сцены с использованием инфракрасного излучения. Снимайте объекты в центре и по краям изображения и проверяйте резкость и поведение цвета.

В дневном режиме проверьте, кажутся ли нейтральные объекты достаточно нейтральными и остаются ли цвета одинаковыми при предполагаемом освещении. В ночном режиме проверьте фокус, контрастность, равномерность освещения и количество полезных деталей. Если камера переключается автоматически, повторите переход несколько раз и посмотрите, возвращается ли изображение последовательно в одно и то же состояние.

При тестировании следует использовать окончательную линзу,ИК-фильтр, датчик, защитное окно и корпус, где это возможно. Изменение одного из этих компонентов после проверки может изменить результат. Это особенно важно, когда камера имеет герметичный механический корпус или жесткие требования к окружающей среде.

Работаем с оптикой Боши.

Боши Оптикаразрабатывает и производит оптические продукты для видеонаблюдения, автомобильной электроники, медицинской визуализации и других приложений для камер. В проекте камеры «день/ночь» обсуждение оптики должно начинаться с датчика, расположения ИК-фильтра, рабочих длин волн, поля зрения и механических размеров.

Клиенты могут ознакомиться с линейкой линз M12 от Boshi Optics или обсудить требования конкретного применения с помощью индивидуальных оптических продуктов. Предоставление полной конфигурации камеры помогает команде Boshi Optics оценить, подходит ли стандартный объектив или следует рассмотреть возможность индивидуального оптического решения.

Вывод: рассматривайте ИК-фильтр и объектив как одну систему формирования изображения.

ИК-фильтр — это не просто аксессуар, позволяющий камере переключаться между цветным и монохромным изображением. Он изменяет спектральную энергию, достигающую датчика, и, следовательно, влияет на цвет, чувствительность и, возможно, на поведение фокусировки.

Для получения надежных дневных и ночных изображений укажите видимый и инфракрасный рабочие диапазоны, проверьте спектральные характеристики объектива и проверьте конечную камеру в обоих режимах с выбранным ИК-фильтром. Наилучший результат получается, если рассматривать объектив, фильтр, датчик, освещение и механизм переключения как одну скоординированную систему.