Como um filtro IR-Cut afeta a imagem da câmera diurna e noturna

Introdução: Por que uma câmera precisa tratar a luz infravermelha de maneira diferente?

Espera-se que uma câmera de vigilância produza uma imagem de aparência natural à luz do dia e permaneça útil após o pôr do sol. Estas duas condições operacionais criam um desafio que é fácil de ignorar: o sensor de imagem pode responder à luz além do alcance da visão humana.

Muitos sensores de imagem são sensíveis à radiação infravermelha próxima. Isto pode ser útil quando uma câmera é projetada para iluminação infravermelha, mas também pode afetar a reprodução de cores à luz do dia. Materiais que parecem semelhantes ao olho humano podem refletir a energia infravermelha de maneira diferente, portanto, folhagens, tecidos, tons de pele e outros objetos podem aparecer com cores incomuns se a luz infravermelha próxima atingir o sensor.

UmFiltro de corte IRé comumente usado para controlar essa energia infravermelha indesejada. Em uma câmera diurna/noturna, o filtro pode ser movido para dentro ou para fora do caminho óptico dependendo das condições de iluminação. O filtro é um componente pequeno, mas seu comportamento afeta todo o sistema de imagem.

Para fabricantes de câmeras e compradores ópticos, o ponto importante é que o filtro, a lente, o sensor e o mecanismo de comutação sejam considerados em conjunto. A escolha independente de cada componente pode levar a mudanças de cor, alterações de foco ou qualidade de imagem inconsistente.

O que é um filtro de corte IR

Um filtro de corte IR é um filtro óptico projetado para transmitir luz visível enquanto reduz a transmissão em uma região infravermelha específica. As características exatas de corte dependem do projeto do filtro e da resposta pretendida do sensor.

Em uma câmera colorida convencional, o controle da energia infravermelha próxima ajuda o sensor a reproduzir as cores de maneira mais consistente com o que as pessoas veem. Sem um filtro de corte IR adequado, a sensibilidade infravermelha pode influenciar os canais vermelho, verde e azul e criar erros de cores que o processamento de imagem pode não corrigir totalmente.

Um filtro fixo geralmente é suficiente para câmeras que operam em um modo de iluminação definido. Uma câmera dia/noite, entretanto, pode usar um arranjo de comutação. Durante o dia, oFiltro de corte IRé colocado na frente do sensor para suportar imagens coloridas mais precisas. À noite, ele é afastado para que o sensor possa receber mais energia infravermelha próxima, geralmente de LEDs infravermelhos.

Este projeto de comutação é comumente descrito como um mecanismo ICR. O movimento mecânico pode ser pequeno, mas a repetibilidade da posição do filtro e a estabilidade do conjunto óptico são importantes para o resultado final.

Por que a cor diurna depende do controle infravermelho

O sensor de uma câmera não vê o mundo exatamente como o olho humano. Sua resposta espectral pode se estender até comprimentos de onda do infravermelho próximo, dependendo da construção do sensor e de quaisquer filtros no módulo.

Quando a energia infravermelha atinge um sensor colorido, ela pode influenciar os valores medidos do canal. Um objeto branco sob a luz solar pode refletir a energia visível e infravermelha em uma proporção diferente de um objeto colorido. A câmara pode, portanto, gravar cores que não parecem naturais, mesmo quando a exposição e o equilíbrio de brancos parecem razoáveis.

Um filtro de corte IR especificado corretamente ajuda a limitar esse efeito. Ele suporta uma reprodução de cores mais estável e facilita o processamento consistente da saída da câmera em diferentes cenas.

No entanto, um filtro de corte IR não é uma solução universal de correção de cores. A transmissão da lente, a resposta espectral do sensor, o tipo de iluminante, a lamela e o processamento do sinal de imagem contribuem para a cor final. Se um projeto tiver requisitos de cores exigentes, o módulo completo deverá ser avaliado sob fontes representativas de luz natural, em vez de confiar apenas no valor de corte nominal do filtro.

Por que a imagem noturna precisa de um caminho óptico diferente

À noite, uma câmera pode contar com LEDs infravermelhos próximos para iluminar a cena. Se oFiltro de corte IRpermanece no lugar, grande parte da iluminação pode ser rejeitada antes de atingir o sensor. A remoção do filtro permite que mais energia passe pela lente e chegue ao sensor.

Isso não significa que todas as câmeras se tornem igualmente eficazes à noite, uma vez removido o filtro. A lente deve transmitir os comprimentos de onda do infravermelho próximo relevantes, o sensor deve ter sensibilidade adequada e a iluminação deve cobrir a cena necessária.

Uma lente otimizada apenas para luz visível pode não fornecer o mesmo foco ou qualidade de imagem na operação no infravermelho próximo. Alguns sistemas ópticos exibem uma diferença de foco entre os comprimentos de onda do visível e do infravermelho próximo. É por isso que uma lente com correção de IR pode ser importante em câmeras que precisam de imagens úteis em ambos os modos.

Ao especificar uma lente de câmera diurna/noturna, confirme a faixa de comprimento de onda que importa para o projeto. Não presuma que a frase “suporta IR” fornece detalhes técnicos suficientes. Solicite a banda operacional pretendida e as condições sob as quais o foco e a qualidade da imagem são avaliados.

O problema da mudança de foco: a luz visível e o infravermelho próximo não são idênticos

Diferentes comprimentos de onda podem focar em diferentes posições porque os materiais ópticos refratam a luz de maneira diferente em todo o espectro. Esse comportamento é conhecido como aberração cromática. Em uma câmera que muda de imagens de luz visível para imagens noturnas assistidas por infravermelho, uma posição de foco que parece correta durante o dia pode não permanecer ideal à noite.

O tamanho do efeito depende da prescrição óptica, seleção do material, abertura, faixa de comprimento de onda e configuração do sensor. Pode ser mais perceptível em aplicações que exigem detalhes finos ou que usam uma abertura relativamente grande.

Os projetistas ópticos podem gerenciar esse comportamento selecionando materiais adequados e equilibrando o design óptico em toda a faixa espectral pretendida. Uma avaliação prática deve incluir imagens visíveis e infravermelhas próximas, usando o realFiltro de corte IRarranjo e sensor.

Para as equipes de compras, isso significa que uma lente não deve ser aprovada apenas a partir de uma amostra de imagem diurna, caso se preveja que a câmera final mude para operação infravermelha. Solicite evidências de ambos os modos e verifique se o mecanismo de foco ou o design da lente se destina a suportar toda a faixa operacional.

Confiabilidade Mecânica do Mecanismo ICR

O mecanismo de comutação do filtro introduz um requisito mecânico além do óptico. O filtro precisa se mover para a posição correta e permanecer estável nessa posição. Se o mecanismo estiver mal alinhado, lento, barulhento ou inconsistente, a câmera poderá mostrar artefatos visíveis ou não conseguir alternar de forma confiável.

O mecanismo também opera dentro de uma caixa compacta de câmera, onde o espaço disponível, a temperatura, a vibração e o ciclo de longo prazo podem afetar a confiabilidade. Uma câmera usada em ambientes externos pode passar por repetidas transições dia/noite e uma ampla variedade de condições ambientais.

Durante o desenvolvimento do produto, as equipes devem considerar a vida útil da troca, a repetibilidade da posição, a temperatura operacional, a exposição à vibração e a interface mecânica entre o suporte do filtro e o módulo da câmera. O plano de teste deve refletir o ciclo de trabalho esperado, em vez de apenas algumas demonstrações de comutação manual.

As equipes ópticas e mecânicas também devem coordenar a abertura e a posição do filtro. Um filtro que seja tecnicamente adequado, mas que corte parcialmente o caminho óptico, pode reduzir a iluminação ou criar um comportamento irregular da imagem.

O que os compradores devem confirmar antes de selecionar uma lente diurna/noturna?

Uma solicitação útil de orçamento deve descrever o sistema de câmera e suas condições operacionais. As informações a seguir ajudam um fornecedor de lentes a avaliar o requisito:

Modelo do sensor, formato, tamanho do pixel e resposta espectral, se disponível.

Se a câmera usa um filtro de corte IR fixo ou um mecanismo ICR móvel.

Faixas de comprimento de onda do visível e do infravermelho próximo necessárias.

Distância focal da lente, campo de visão, abertura e envelope mecânico.

Se a câmera usa LEDs infravermelhos integrados e o comprimento de onda de iluminação aproximado.

Comportamento de foco necessário nos modos diurno e noturno.

Temperatura operacional e frequência de comutação esperada.

Alvos de qualidade de imagem, incluindo desempenho central e de borda.

Também é útil fornecer imagens de amostra ou descrever a cena alvo. Uma câmera destinada a uma entrada residencial pode ter prioridades diferentes de uma câmera de trânsito ou de um sistema de monitoramento industrial.

Evite comparar lentes apenas pela distância focal e abertura. Duas lentes com especificações semelhantes podem se comportar de maneira diferente quando combinadas com um sensor específico e uma pilha de filtros de corte IR.

Como validar a câmera completa

Um plano de validação prático deve incluir cenas coloridas diurnas, cenas com pouca luz e cenas noturnas assistidas por infravermelho. Capture alvos no centro e nas bordas da imagem e inspecione a nitidez e o comportamento das cores.

Para o modo diurno, verifique se os objetos neutros parecem razoavelmente neutros e se as cores permanecem consistentes sob a iluminação pretendida. Para o modo noturno, inspecione o foco, o contraste, a uniformidade da iluminação e a quantidade de detalhes úteis. Se a câmera mudar automaticamente, repita a transição várias vezes e observe se a imagem retorna consistentemente ao mesmo estado.

O teste deve usar a lente final,Filtro de corte IR, sensor, janela de cobertura e caixa sempre que possível. A alteração de um desses componentes após a validação pode alterar o resultado. Isto é especialmente importante quando a câmera possui um pacote mecânico rígido ou uma especificação ambiental exigente.

Trabalhando com Óptica Boshi

Óptica Boshidesenvolve e fabrica produtos ópticos para vigilância de segurança, eletrônica automotiva, imagens médicas e outras aplicações de câmeras. Para um projeto de câmera diurna/noturna, a discussão óptica deve começar com o sensor, arranjo do filtro de corte IR, comprimentos de onda operacionais, campo de visão e dimensões mecânicas.

Os clientes podem avaliar a linha de lentes M12 da Boshi Optics ou discutir um requisito específico da aplicação por meio de produtos ópticos personalizados. Compartilhar a configuração completa da câmera ajuda a equipe da Boshi Optics a avaliar se uma lente padrão é adequada ou se uma solução óptica personalizada deve ser considerada.

Conclusão: trate o filtro de corte IR e a lente como um único sistema de imagem

Um filtro de corte IR não é simplesmente um acessório adicionado para fazer a câmera alternar entre imagens coloridas e monocromáticas. Ele altera a energia espectral que chega ao sensor e, portanto, afeta a cor, a sensibilidade e, potencialmente, o comportamento do foco.

Para obter imagens dia/noite confiáveis, especifique as faixas operacionais visíveis e infravermelhas, verifique o comportamento espectral da lente e valide a câmera final em ambos os modos com o filtro de corte IR escolhido. O melhor resultado vem do tratamento da lente, filtro, sensor, iluminação e mecanismo de comutação como um sistema coordenado.