آموزش نورپردازی دوربین مداربسته

نورپردازی مادون قرمز دوربین مداربسته

هنگامی که وجود یک سیستم امنیتی باعث جلب توجه ناخواسته شود، یا متعرضان را از وجود این سیستم مطلع سازد و یا برای اطرافیان مزاحمت به همراه داشته باشد، دیگر  نورپردازی‌های امنیتی رایج مناسب نمی‌باشند. در چنین مواقعی سیستم نورپردازی مادون قرمز راه‌حل بهتری‌ به‌نظر می‌رسد.

برای ایجاد یک سیستم نورپردازی مادون قرمز دو روش عمومی وجود دارد:

– در روش اول  از انرژی گرمایی حاصل از لامپ زنون یا نئون استفاده می‌گردد. این منابع مادون قرمز به همراه فیلتری که نور مرئی را فیلتر می‌کند نصب می‌شوند، به گونه‌ای که فقط پرتوهای مادون قرمز از لامپ به صحنه نورپردازی شده تابیده می‌شود.

– در روش دوم از LED یا آرایه‌ای از LEDهای مادون قرمز غیرحرارتی جهت تولید پرتوهای مادون قرمز با استفاده از ترکیبات الکترونیکی موجود در ابزارهای نیمه هادی استفاده می‌شود.

هر دو روش پرتوهای باریک و پهن تولید می‌کنند که هنگام مشاهده با یک دوربین مدار بسته حساس به مادون قرمز همانند دوربین های مدار بسته CMOS و CCD، یا ICCD (Intensified CCD) منجر به ایجاد تصویری بسیار مناسب می‌شود.

منابع مادون قرمز به شکل لامپ فیلتر شده

لامپ‌های زنون و نئون می‌توانند صحنه‌ای که صدها فوت از دوربین مدار بسته دور است را روشن و به مقدار کافی پرتوی مادون قرمز جهت استفاده عملی برای یک سیستم ویدئویی مخفی تولید ‌کنند. از آن‌جایی که منابع مادون قرمز (لامپ‌های تنگستن و زنون) مقدار قابل توجهی توان مصرفی دارند و داغ می‌شوند، ممکن است به نوع خاصی از دفع کننده گرما یا خنک کننده هوا که به طور پیوسته کار کند نیاز پیدا کنند. شکل (1) پیکر‌بندی چند منبع مادون قرمز به شکل لامپ زنون و تنگستن را نشان می‌دهد که پرتوهای مادون قرمز تولید می‌کنند و در بازتابنده‌هایی نصب شده و دارای فیلتر می‌باشند.

این سیستم‌های لامپی از پوشش‌های نوری دو رنگ به شکل غشاهای نازک (جداکننده‌های برای نور) و فیلترهای جذب‌کننده استفاده می‌کنند که پرتوهای بسیار نزدیک به مادون قرمز را به سمت جلوی لامپ و سمت خارج هدایت کرده در حالی که تابش‌های مادون قرمز بلند را به سمت پشت لامپ باز می‌تابانند، جایی که این پرتوها به وسیله ماده جداسازی شده جذب می‌شوند. این مواد به عنوان یک جذب کننده گرمای بهینه عمل کرده و به‌طور مؤثری گرما را پراکنده می‌سازند و سیستم می‌تواند بدون نیاز به خنک کننده به عملکرد پیوسته خود در محیط گرم ادامه دهد.

یک پیکربندی بهینه و خاص با استفاده از لامپ تنگستن هالوژن به عنوان منبع تابش و یک شیوه فیلتر کردن و خنک کردن منحصربه‌فرد در شکل (2) نشان داده شده است.

رشته به کار رفته در یک لامپ PAR 56 در دمایی حدود 3000 کلوین کار می‌کند و دارای عمر متوسط 2000 تا 4000 ساعت است. پوشش‌های آینه‌ای دو رنگ نوری لامپ به کار رفته بر روی سطح داخلی بازتابنده و جلوی لنزهای پوششی از چندین لایه دی اکسید سیلیکن و دی اکسید تیتانیوم ساخته شده‌اند. علاوه بر این فیلتر، یک آینه “سرد” به شکل پوسته‌ای از لایه کوارتز بین لامپ تنگستن هالوژن و لنزهای پوششی روکش شده، جهت کنترل مستقیم نور مرئی خروجی از رشته قرار دارد. اپتیک لامپ دارای یک فیلتر جذب کننده بین لامپ و لنز جلو می‌باشد که کمتر از 0.1 درصد از تمامی طول موج‌های کوتاه‌تر از 730 نانومتر را عبور می‌دهد.

این امر شامل کل طیف مرئی می‌شود. اثر ترکیبی این فیلتر کردن، این اطمینان را می‌دهد که فقط تابش مادون قرمز از جلوی لامپ خارج می‌شود و پرتوهای مرئی و مادون قرمز بلند (بلندتر از حدی که برای سنسور سیلیکونی دوربین مدار بسته مفید باشد) نمی‌توانند از جلوی دوربین مدار بسته خارج شوند. در نتیجه خروجی لامپ به طور کلی برای چشم انسان نامرئی است. سیستم لامپ مادون قرمز با لنزهای جلویی متفاوت، جهت ایجاد الگوهای تابشی گوناگون برای محدوده گسترده‌ای از کاربردها موجوداند که شامل نورپردازی محیط‌های گسترده تا نورافکن‌های با برد زیاد می‌شود.

جدول (1) انواع لنزهای لامپ موجود و زوایای تابشی افقی و عمودی تولید شده توسط آنها را به طور خلاصه بیان می‌کند. این زوایای تابشی از 12 تا 68  (پرتوهای باریک تا پرتوهای بسیار گسترده) تغییر می‌کنند.

دیودهای منتشرکننده مادون قرمز

سیستم‌های ویدئویی برای نورپردازی مخفی و شبانه در حال استفاده از LEDهایی هستند که شامل آرایه‌ای از دیودهای نیمه هادی گالیوم آرسناید (GaAs) می‌باشند. این دیودها پرتوهای قرمز تیره 880 نانومتر را منتشر می‌کنند و هیچ نور مرئی قابل دیدن دیگری توسط آنها تولید نمی‌شود. این ابزارهای کارآمد معمولاً 50 درصد از انرژی الکتریکی را به پرتوهای مادون قرمز تبدیل می نمایند. انها فقط کمی بالاتر از دمای اتاق کار می‌کنند، مقدار کمی گرما پراکنده کرده و در نتیجه معمولاً به خنک‌کنندگی کمی احتیاج خواهند داشت.

نور در پیوند PN دیود تولید می‌شود و هنگامی که دیود به صورت مستقیم بایاس شود از خود پرتوهای مادون قرمز ساطع می‌کند. انرژی مادون قرمز 800 تا 900 نانومتر به سمت لنزهای تقویت‌کننده که در داخل هر LED ایجاد گردیده‌اند هدایت شده و به سمت صحنه تابیده می‌شوند. برای اینکه صحنه به اندازه کافی روشن گردد به آرایه‌ای از ده، صد تا چند صد دیود که به صورت سری با منبع تغذیه نصب شده‌اند نیاز است.

تغذیه آرایه دیودها از منابع  معمولی 12 ولت مستقیم یا 117 ولت متناوب تامین می‌شود. نور حاصل از دیودها با هم جمع شده تا پرتوهای لازم را برای روشن‌سازی صحنه و هدف با مقدار کافی از انرژی مادون قرمز جهت ایجاد تصویر ویدئویی مناسب با دوربین مدار بسته CMOS یا CCD تولید کند. شکل (3) یک آرایه LED گالیوم آرسناید مادون قرمز را که پرتوهای مادون قرمز با کارآرایی بالا جهت کاربردهای مخفی و شبانه تولید می‌کند، نشان می‌دهد.

منابع مادون قرمز حرارتی

تمامی اجسام هنگامی که به اندازه کافی گرم شوند نور ساطع می‌کنند. تغییر دمای یک جسم منجر به تغییر شدت و رنگ نور ساطع شده از آن می‌شود. برای نمونه هنگامی که آهن گرم می‌شود در ابتدا به رنگ قرمز تیره می‌درخشد، وقتی گرم‌تر شود به رنگ قرمز متمایل به نارنجی در می‌آید و در نهایت به سفید گرم گرایش پیدا می‌کند. در یک کارخانه فولاد، آهن ذوب شده به رنگ سفید متمایل به زرد می‌باشد زیرا از آهن به رنگ قرمز متمایل به نارنجی که در دمای پایین‌تری قرار دارد گرم‌تر می‌باشد.

رشته تنگستن در یک لامپ نئون از این هم گرم‌تر است و نور تقریباً سفید را تولید می‌کند. به حباب‌های رشته‌ای گرم شده یا هر جسمی که برای درخشیدن به اندازه کافی گرم باشد، جسم تابان گفته می‌شود. مشخصه معنی‌دار برای تشریح رنگ، دمای رنگ یا دمای رنگ ظاهری جسمی است که در دماهای مختلفی حرارت داده شده است.

در آزمایشگاه یک منبع تابشی که هنگام گرم شدن با بازدهی صددرصد در تمامی طول موج‌ها تابش می‌کند، جسم سیاه تابنده می‌گویند. جسم سیاه تابنده در حالی که از قوانین خاص فیزیکی تبعیت می‌کند، انرژی را در طیف‌های فرابنفش، مرئی، و مادون قرمز از خود ساطع می‌کند. لامپ‌های تنگستن و خورشیدی همانند جسم سیاه می‌تابند، زیرا طیفی پیوسته از تمامی طول موج‌ها و رنگ‌ها را شامل می‌شوند.

سایر منابع مانند لامپ‌های جیوه، فلورسنت، سدیم، و قوس الکتریکی-فلز با طیفی پیوسته نمی‌تابند بلکه تنها ناحیه باریکی از رنگ‌ها را تولید می‌کنند: جیوه در ناحیه سبز متمایل به آبی تولید نور می‌کند و سدیم در ناحیه زرد متمایل به نارنجی. دوربین های مدار بسته مادون قرمز حرارتی برای مشاهده تفاوت دمایی در اجسام موجود در یک صحنه به کار می‌روند.

ملاحظات طراحی در نورپردازی

طراحی سیستم نورپردازی برای سیستم‌های امنیت ویدئویی نیازمند ملاحظات زیر می‌باشد: (1)هزینه نصب اولیه، (2)بازدهی نوع لامپ انتخاب شده، (3)هزینه کارکرد، (4)هزینه‌های نگه‌داری، (5)طیف نوری ساطع شده، (6)زاویه تابش لامپ و نورافکن.

هزینه‌های نورپردازی

هزینه نورپردازی یک محیط داخلی  یا خارجی به چند عامل بستگی دارد، از جمله: (1)نصب اولیه، (2)نگه‌داری، (3)هزینه کارکرد (مصرف انرژی).

هزینه‌های نصب اولیه برای لامپ‌های نئون کمتر از سایر لامپ‌ها می‌باشد و پس از آن لامپ‌های فلورسنت و لامپ‌های HID قرار دارند. تمامی لامپ‌های نئون می‌توانند به صورت مستقیم به یک منبع تغذیه متصل شوند. آنها برای منابع تغذیه با جریان متناوب و ولتاژهای 240، 120، و 24 ولت با جریان مستقیم و ولتاژ 12 ولت بدون نیاز به بالاست الکتریکی و مدارات راه‌انداز ولتاژ بالا موجودند. تمام آنچه لازم است نورافکنی است که به طور مناسبی طراحی شده و نور لامپ را با الگوی مطلوب هدایت می‌نماید.

برخی از لامپ‌های نئون به وسیله نورافکنی که در داخل آن تعبیه شده است دارای فوکوس از پیش تنظیم شده بوده و امکان پوشش نوری آنها را به صورت نقطه‌ای یا پراکنده فراهم می‌آورد. لامپ‌های فلورسنت در بازتابنده‌های پخش کننده نور نصب می‌شوند و به یک جرقه‌زن و یک بالاست ساده برای شروع و ادامه کار نیاز دارند. لامپ‌های HID به شبکه‌های پیچیده‌تری از بالاست احتیاج دارند، که علاوه بر هزینه‌های نصب و کارکرد گران‌تر، پرمصرف‌تر، بزرگ‌تر و حجیم‌تر می‌باشند.

تمامی لامپ‌ها و تجهیزات نصب آنها به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا جایگزینی لامپ‌ها به سهولت انجام گیرد. لامپ‌های فلورسنت و HID که دارای ماژول‌های بالاست و مدارات راه‌انداز ولتاژ بالا می‌باشند به نگهداری بیشتری احتیاج دارند، چون گاهی اوقات در طی عمر مفید نصبشان از کار می‌افتند. جدول (2) انواع رایج لامپ‌ها را به همراه LEDهای مادون قرمز و قرمز تیره مقایسه می‌نماید.

هزینه‌های کارکرد

در یک سیستم امنیت ویدئویی، بهره‌وری انرژی سیستم روشنایی باید در نظر گرفته شود. به زبان دلار و سنت، این قضیه به مقدار روشنایی و نور خروجی در ازای انرژی ورودی بستگی دارد که نورپردازی اضافی ممکن است به صرفه باشد یا می‌تواند در صورت نصب یک دوربین مدار بسته ویدئویی LLL (low light level) ICCD یا دوربین مدار بسته حرارتی مادون قرمز باعث صرفه‌جویی شود.

مقدار نور موجود به طور مستقیم کیفیت و میزان هوش ناظر ویدئویی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. اگر در حال حاضر نورپردازی در محیط وجود دارد، متخصص امنیتی می‌بایست مشخص کند که آیا نوع لامپ‌ها و اینکه مقدار نور کافی است مناسب است یا خیر. نتیجه بررسی محل مشخص می‌کند که نور بیشتری نیاز است یا خیر.

برنامه‌های طراحی کامپیوتری متعددی برای محاسبه مکان و اندازه لامپ‌های ضروری برای روشن کردن یک ناحیه با مقدار مشخصی ار نور وجود دارند. اگر اضافه کردن نور یکی از گزینه‌ها باشد، گزارشات هزینه آن را با هزینه نصب دوربین های مدار بسته ویدئویی گران‌تر و حساس‌تر، مقایسه می‌کنند.

اگر سیستم امنیت ویدئویی شامل دوربین های مدار بسته رنگی شود، انتخاب روشنایی بحرانی‌تر می‌شود. تمامی دوربین های مدار بسته رنگی به سطح بالاتری از روشنایی در مقایسه با همتایان سیاه و سفید خود نیاز دارند. برای تولید یک تصویر رنگی که دارای نسبت سیگنال به نویزی به خوبی یک سیستم سیاه و سفید باشد یا اینکه بدون نویز باشد، به بیش از دو برابر روشنایی احتیاج دارد.

برای به دست آوردن رنگی پایدار از اجسام و هرآنچه در محیط است، منبع نوری انتخاب شده یا نصب شده می‌بایست مقدار کافی از رنگ‌ها را تولید کند تا دوربین مدار بسته بتواند آنها را تشخیص داده و تعادل را بین آنها برقرار سازد. از آنجایی که تعداد زیادی از انواع به کلی متفاوت از نورپردازی‌ها در حال حاضر در صنایع و مکان‌های عمومی نصب شده است، متخصصین امنیتی می‌بایست از خروجی طیفی چنین نورهایی آگاهی داشته باشند.

از آنجا که هزینه‌های عملکرد لامپ اغلب از مجموع هزینه‌های نصب اولیه و نگهداری بیشتر می‌شود، آگاهی از بازدهی هر نوع لامپ مهم می‌باشد. برای آگاهی از تفاوت‌های قابل توجهی که در هزینه عملکرد انواع مختلف لامپ وجود دارد، جدول (4) متوسط نور خروجی و عمر هر لامپ را مقایسه می‌نماید.

برای انواع مختلفی از لامپ‌های نئون، بخار جیوه (HID)، فلورسنت، و سدیم پرفشار، عمر لامپ بر حسب ساعت با توان ورودی و هزینه عملکرد، کیلووات ساعت استفاده شده، بر مبنای 4000 ساعت از عملکرد سالانه مقایسه شده است. این مقایسه الگویی برای لامپ‌های استفاده شده در کاربردهای مختلف روشنایی هوای گرگ و میش تا سپیده‌دم، روشنایی‌های هوایی نصب شده بر روی دیوار، و نورپردازی‌های گسترده، می‌باشد.

در هر کاربردی، مقدار قابل توجهی صرفه‌جویی در هزینه‌های عملکرد (هزینه‌های انرژی) بین لامپ‌های فلورسنت و سدیم پرفشار در مقایسه با لامپ‌های بخار جیوه و نئون استاندارد وجود دارد. انتخاب کارآمدترین لامپ در برابر نا کارآمدترین آن بسته به هزینه برق در یک منطقه خاص می‌تواند منجربه صرفه‌جویی دو یا چند برابر در هزینه‌های عملکرد شود.

عمر لامپ

عمر لامپ در تعیین کارآیی منابع نوری مختلف از لحاظ هزینه‌ای نقش قابل ملاحظه‌ای را ایفا می‌کند. هزینه‌های عملی تعویض لامپ و هزینه‌های نیروی کار باید مورد توجه قرار گیرند، همانطور که می‌بایست خطرات اضافه اختلالات امنیتی به دلیل عدم امکان نورپردازی را در نظر داشت. در جدول (5) به طور خلاصه عمر متوسط بیشتر انواع لامپ امروزی برحسب ساعت بیان شده‌است.

در صدر فهرست، لامپ‌های سدیم پرفشار و کم‌فشار و لامپ بخار جیوه HID قرار دارند که هر کدام دارای حدود 24000 ساعت عمر متوسط می‌باشند. پس از آن برخی انواع لامپ‌های فلورسنت با عمر 10000 ساعت قرار دارند. در انتهای فهرست نیز لامپ‌های نئون و کوارتز-هالوژن قرار دارند که دارای عمری در حدود 1000 تا 2000 ساعت می‌باشند.

اگر تعویض لامپ‌ها مشکل و پرهزینه باشد، می‌بایست به جای انواع لامپ‌های نئون از لامپ‌های سدیم پرفشار استفاده کرد. استفاده از لامپ‌های سدیم پرفشار در مقایسه با تنگستن با حذف 12 سفر به محل برای تعویض لامپ‌های معیوب، و داشتن 12 لامپ سوخته کمتر، مقدار زمان غیرفعال بودن سیستم نظارت ویدئویی را کاهش خواهد داد. هرچند که لامپ‌های سدیم پرفشار رنگ خوبی را ارائه نمی‌دهند.

طراحی لامپ‌ها نیازمند مشخصات توان مصرفی، ولتاژ، نوع حباب، شکل لامپ، بازدهی، نور خروجی، دمای رنگ، عمر مفید، هزینه عملکرد، و سایر ویژگی‌های خاص می‌باشد. دمای زنگ، توان ورودی، و رده‌بندی عمر لامپ به شدت به هم وابسته‌اند و نمی‌توانند به طور مستقل تغییر کنند. برای یک توان داده شده، نور خروجی و دمای رنگ با افزایش عمر مورد انتظار لامپ کاهش می‌یابد.

در لامپ‌های نئون، توان رشته (وات) تا حدودی متناسب با توان چهارم دمای آن می‌باشد. بنابراین لامپی که در ولتاژی کمتر از ولتاژ نامی خود کار می‌کند دارای عمر بیشتری است. یک قاعده کلی در این رابطه وجود دارد: عمر رشته به ازای هر 5 درصد کاهش در ولتاژ دو برابر می‌گردد؛ برعکس، عمر رشته به ازای هر 5 درصد افزایش در ولتاژ نصف می‌شود.

سطوح نورپردازی امنیتی

علاوه بر ویژگی‌های لامپ و الزامات انرژی، اندازه و شکل نورافکن، فاصله بین لامپ‌ها، و ارتفاع لامپ از سطحی که مورد نورپردازی قرار می‌گیرد نیز می‌بایستی مورد توجه قرار گیرد. هرچند هر کاربرد ویدئویی دارای نیازمندی‌های خاص خود می‌باشد، مسئولیت اولیه برای روشنایی معمولاً به معماران یا مهندسین روشنایی سپرده می‌شود.

به منظور تامین روشنایی مناسب در یک صنعت امنیتی یا محیط دارای امنیتی در راهروهای ساختمان، پلکانها، محوطه‌های خارجی، پارکینگ‌ها، به طرح‌های نورپردازی متفاوتی نیاز است. جدول (6) سطح روشنایی مورد نیاز برای مکان‌هایی مانند پارکینگ‌ها، پیاده‌روها، محوطه‌های بیرونی ساختمان، و گردشگاه‌های متعلق به عابران پیاده را جدول‌بندی کرده است.

طراحان سیستم ویدئویی و مدیران امنیتی اغلب گزینه‌ای برای افزایش یا تغییر روشنایی‌های نصب شده ندارند و باید در ابتدا تعیین نمایند که آیا روشنایی موجود برای کاربردهای دوربین های مدار بسته کافیست یا خیر و سپس جهت به دست آوردن تصویر مطلوب به انتخاب دوربین مدار بسته  بپردازند. اگر روشنایی کافی نباشد، می‌توان با افزودن روشنایی جایگزین در منطقه انتخاب‌شده برای تامین روشنایی مورد نیاز دوربین های مدار بسته، روشنایی موجود را افزایش داد.

نورپردازی با امنیت بالا

نورپردازی نقشی کلیدی در ماندن در یک سطح با امنیت بالا در تاسیسات اصلاحی ایفا می‌کند. سخت‌افزار نورپردازی به تجهیزات خاصی برای اطمینان از بقا در شرایط دشوار نیاز دارد. لامپ‌ها و نورافکن‌های با امنیت بالا به گونه‌ای خاص طراحی می‌شوند تا در مقابل خرابکاری مصون بمانند و اغلب با محفظه‌هایی از تولیدات پلی‌کربنات فشرده ساخته می‌شوند تا در مقابل خرابکاری و شرایط بد جوی بدون شکستگی و از دست دادن کارآیی نورپردازی خود مقاومت کنند شکل (4).

چنین نورافکن‌هایی برای این طراحی شده‌اند که لامپ‌های نئون، HID، و سایر انواع لامپ‌ها را در خود جای دهند تا شدت نور لازم و طیف کاملی از رنگ‌های مورد نیاز برای سیستم‌های امنیت ویدئویی رنگی و سیاه و سفید تامین شود.

بیشتر تجهیزات جهت جلوگیری از بازشدن نورافکن‌ها توسط اشخاص غیرمجاز مجهز به پیچ‌های ضدسرقت می‌باشند. برای مصارف داخلی نورافکن‌های با لامپ فلورسنت و پلی‌کربنات فشرده راه حل خوبی است. لنزهای پلی‌کربنات ساخته شده دارای زبانه‌های قالب‌ریزی شده‌ای هستند که در شکاف‌های خاصی که در صفحه‌ای از جنس فولاد تقویت شده قرار دارد گیر‌کرده و مانع از باز‌شدن نورافکن می‌گردد.

در نتیجه لامپ‌های فلورسنت کمتر در معرض دید خرابکاران قرار می‌گیرد. کاربردهایی که شامل سلول‌های زندان، امکانات بازداشت نوجوانان، بخش‌های با امنیت بالا در بیمارستان، گاراژهای پارکینگ، راهروی ساختمان‌های عمومی، پلکان‌ها، و تونل‌های زیرزمینی می‌شود.

خلاصه

کیفیت و هوشمندی تصویر ویدئویی نهایی به شدت به منابع نور مصنوعی یا طبیعی که صحنه را روشن می‌سازد بستگی دارد. برای به دست آوردن نتایج بهینه، ویژگی‌های لامپ (طیف، سطح روشنایی، الگوی تابشی) باید بررسی شده و با ویژگی‌های طیفی و حساسیت دوربین مدار بسته تطبیق داده شود.

اگر سطح روشنایی که در آستانه مقدار مناسب قرار دارد، را با یک نورسنج اندازه بگیرید، نوری که از صحنه به دوربین مدار بسته می‌رسد مشخص می‌شود. اگر نور کافی برای یک دوربین مدار بسته ویدئویی دیجیتال استاندارد وجود ندارد، روشنایی را با منابع جایگزین افزایش داده یا دوربین مدار بسته ICCD حساس‌تر انتخاب کنید. همانند چشم انسان، روشنایی کلید خوب دیدن است.