Kameras übernehmen auf Maschinen Aufgaben, die früher den Augen des Bedieners vorbehalten waren: Annäherungserkennung an Baggern, Personenerkennung an Gabelstaplern, die Mehrkamera-Ansicht auf einem ferngesteuerten Lader. Nachts braucht jede von ihnen Licht, und dieses Licht muss nicht sichtbar sein.
Wir bauen abgedichtete Arbeitsscheinwerfer für solche Maschinen, und in diesem Monat fragte ein Händler für Fahrzeugbeleuchtung bei uns einen 850-nm-Scheinwerfer an. Bei der Bearbeitung dieser Anfrage zeigte sich eine Lücke, die jede Weißlicht-Spezifikation teilt: Die Kennzahl, über die die gesamte Branche Leuchten vergleicht, existiert für eine Infrarotleuchte nicht.
Dieser Beitrag erklärt, warum das so ist, was an der Kamera zu prüfen ist, bevor Geld für eine Leuchte ausgegeben wird, wie zwischen 850 nm und 940 nm zu wählen ist und welche Kennzahlen Sie statt Lumen bei einem Lieferanten anfragen sollten.
Die kurze Antwort: Das Lumen ist über die Empfindlichkeit des menschlichen Auges definiert, und Infrarotlicht liegt außerhalb dieser Kurve. Eine Infrarotleuchte wird deshalb über Strahlungsleistung und Bestrahlungsstärke in einer bestimmten Entfernung spezifiziert, nicht über Lumen. Bevor Sie überhaupt Leuchten vergleichen, stellen Sie sicher, dass die Kamera ihren IR-Sperrfilter nachts entfernt oder gar keinen hat, denn eine Kamera mit festem Filter sieht kein Infrarotlicht. Wählen Sie 850 nm für Reichweite und 940 nm nur dann, wenn das schwache rote Glimmen an der Quelle selbst ein Problem ist.
Warum die Kamera Licht braucht, das der Bediener nicht sehen kann
Ein kamerabasiertes Erkennungssystem versagt im Dunkeln aus demselben Grund wie ein Bediener: Es erreicht kein Licht den Sensor. Der Unterschied ist, dass die Kamera mit Licht versorgt werden kann, das sonst nichts beleuchtet.
Kollisionswarnung an Erdbaumaschinen ist inzwischen eine genormte Funktion. ISO 21815-1:2022 legt allgemeine Anforderungen an das Erkennen von Objekten und das Warnen des Bedieners fest. Die Norm ist um die Funktion herum geschrieben, nicht um einen bestimmten Sensor, und kamerabasierte Systeme gehören zu denen, die dafür ausgelegt werden. Eine Personenerkennungskamera am Gabelstapler, eine Rückfahrkamera am Muldenkipper und das Kamera-Array an einer ferngesteuerten Maschine haben eines gemeinsam: Sie brauchen genug Licht auf der Szene, um ein brauchbares Bild zu erzeugen, in jeder Betriebsstunde der Maschine.
Weiße Arbeitsscheinwerfer erfüllen diesen Bedarf, aber zu einem Preis. Sie beleuchten die gesamte Baustelle, sie blenden jeden, der der Maschine zugewandt ist, und sie sind auf das Sichtfeld des Bedieners ausgerichtet, nicht auf das der Kamera. Ein Infrarotstrahler bringt Licht genau dorthin, wo die Kamera hinsieht, bei einer Wellenlänge, die der Sensor nutzen kann und ein Mensch kaum wahrnimmt. Deshalb ist Infrarotbeleuchtung bei stationären Überwachungskameras Standard, und deshalb folgt sie der Kamera nun allmählich auf die Maschine.
Dieselbe Anfrage, die diesen Beitrag ausgelöst hat, kam mit einer vollständigen Spezifikationszeichnung. Sie führte Spannung, Abmessungen, Befestigung und Steckverbinder auf. Was sie nicht aufführen konnte, weil die Kennzahl nicht existiert, waren Lumen.
Eine Leuchte, die die Lumenangabe nicht beschreiben kann
Der Lichtstrom, die Größe hinter jeder Lumenangabe, ist definiert, indem die Strahlungsleistung der Leuchte mit der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges gewichtet wird. Diese Gewichtungsfunktion, bekannt als V(λ), ist in ISO/CIE 23539, dem CIE-System der physikalischen Photometrie, festgelegt, und die CIE veröffentlicht ihre Werte von 360 nm bis 830 nm. Jenseits von 830 nm endet die veröffentlichte Tabelle schlicht, und Strahlung in diesem Bereich trägt nichts zur Lumenangabe bei.
Beide gängigen Wellenlängen für Infrarotbeleuchtung liegen jenseits dieser Grenze. Ein Strahler bei 850 nm oder 940 nm kann mehrere Watt optische Leistung abstrahlen und trotzdem einen Lichtstrom von null haben, weil das Auge, für das das Lumen definiert ist, bei diesen Wellenlängen nicht reagiert. Der Wert ist per Definition null.
Das ändert, was ein Datenblatt aussagen muss. Das gesamte Vokabular des Weißlichtvergleichs, das unser Glossareintrag zu Lumen, Lux und Candela behandelt, hat ein radiometrisches Gegenstück, das dieselbe Geometrie beschreibt, ohne dass das Auge im Weg steht.
| Was Sie wissen wollen | Weiße Leuchte (photometrisch) | Infrarotleuchte (radiometrisch) |
|---|---|---|
| Gesamtes Licht, das die Leuchte verlässt | Lichtstrom, Lumen (lm) | Strahlungsleistung, Watt (W) oder Milliwatt (mW) |
| Licht in eine Richtung | Lichtstärke, Candela (cd) | Strahlstärke, Watt pro Steradiant (W/sr) |
| Licht, das auf der Szene ankommt | Beleuchtungsstärke, Lux (lx) | Bestrahlungsstärke, Watt pro Quadratmeter (W/m²) oder mW/cm² |
| Wo die Energie liegt | Farbtemperatur, Kelvin (K) | Spitzenwellenlänge und spektrale Halbwertsbreite, Nanometer (nm) |
| Wie breit der Lichtkegel ist | Abstrahlwinkel, Grad | Abstrahlwinkel, Grad (unverändert) |
Die Kennzahl, die entscheidet, ob die Kamera ein brauchbares Bild bekommt, ist die Bestrahlungsstärke in Arbeitsentfernung, genau wie die Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche die Kennzahl ist, die für einen Menschen entscheidet. Unser Beitrag dazu, warum 3.000 Lumen keine Spezifikation sind, führt dieses Argument für Weißlicht. Für Infrarot ist die Lumenangabe nicht bloß wenig hilfreich. Sie fehlt.
Ein Lieferant, der eine Infrarotleuchte in Lumen angibt, hat entweder aus elektrischen Watt umgerechnet, was nichts über die optische Ausgangsleistung sagt, oder er gibt den schwachen sichtbaren Ausläufer eines 850-nm-Strahlers an. Keine der beiden Zahlen beschreibt, was die Kamera erreicht.
850 nm oder 940 nm: Reichweite gegen Glimmen
Die Wahl zwischen den beiden Standard-Wellenlängen ist eine Abwägung zwischen der Sichtweite der Kamera und der Frage, ob jemand die Leuchte sehen kann.
Axis Communications, das Infrarotbeleuchtung in seine eigenen Kameras einbaut, benennt diese Abwägung in seinem veröffentlichten Whitepaper zu Infrarot in der Videoüberwachung klar: 850-nm-Strahler erzeugen an der Quelle ein schwaches rotes Glimmen, 940-nm-Strahler nicht, aber der Bildsensor ist bei 940 nm weniger empfindlich, sodass eine 850-nm-Leuchte gleicher Leistung weiter reicht. Axis hat sich auf dieser Grundlage für seine eigenen Produkte für 850 nm entschieden.
| 850 nm | 940 nm | |
|---|---|---|
| Für Menschen sichtbar | Schwaches rotes Glimmen am Strahler bei direktem Blick; der Lichtkegel selbst ist nicht zu sehen | Kein sichtbares Glimmen |
| Empfindlichkeit des Bildsensors | Höher | Geringer, deshalb ist für dieselbe Reichweite mehr Strahlerleistung nötig |
| Reichweite bei gleicher Strahlerleistung | Größer | Kürzer |
| Typischer Grund für die Wahl | Erkennungsreichweite, weniger Leistung für eine gegebene Entfernung | Das Glimmen selbst darf nicht zu sehen sein |
| Auf einer Maschine bei Nacht | Das Glimmen dient dem Bediener zugleich als Einschaltanzeige | Die Leuchte gibt kein Zeichen, dass sie arbeitet |
Auf einer Maschine ist das Glimmen bei 850 nm meist eher ein Vorteil als ein Problem. Es ist die einzige Möglichkeit für einen Bediener, der um die Maschine herumgeht, zu erkennen, dass der Strahler unter Spannung steht, und es kostet keine Reichweite. Wählen Sie 940 nm, wenn die Anwendung wirklich verlangt, dass die Quelle überhaupt kein Licht zeigt, und planen Sie dann mehr Strahlerleistung oder eine kürzere Erkennungsreichweite ein.
Prüfen Sie den IR-Sperrfilter, bevor Sie irgendeine Leuchte kaufen
Der teuerste Fehler in dieser Kategorie ist, eine Infrarotleuchte für eine Kamera zu kaufen, die kein Infrarotlicht sehen kann. Er ist häufig, und er ist auf dem Datenblatt unsichtbar.
Farbbildsensoren sind bis weit ins nahe Infrarot empfindlich. Diese Empfindlichkeit verdirbt die Farbwiedergabe bei Tag, deshalb trägt fast jede Farbkamera einen IR-Sperrfilter vor dem Sensor. Bei einer Kamera mit festem Filter bleibt der Filter dauerhaft an seinem Platz, und Licht bei 850 nm wird blockiert, bevor es den Sensor erreicht. Bei einer Tag/Nacht-Kamera wird der Filter mechanisch entfernt, sobald das Licht unter einen Schwellenwert fällt, und der Sensor nutzt dann Infrarotlicht. Axis beschreibt dieses Umschaltverhalten im selben Whitepaper. Monochromkameras für die industrielle Bildverarbeitung haben oft gar keinen Filter.
Die Konsequenz: Die Kamera entscheidet, nicht die Leuchte, ob Infrarotbeleuchtung funktioniert. Drei Fragen klären das:
Ist die Kamera eine Tag/Nacht-Kamera mit entfernbarem IR-Sperrfilter oder eine Farbkamera mit festem Filter? Das Datenblatt des Herstellers gibt darüber Auskunft. Wenn nicht, fragen Sie nach.
Bei welchem Lichtniveau schaltet sie um, und lässt sich das erzwingen? Manche Systeme erlauben es, den Nachtmodus manuell zu setzen, was auf einer Maschine zählt, die zwischen beleuchteten und unbeleuchteten Bereichen wechselt.
Läuft die Erkennungssoftware auf demselben Bildstrom? Ein Erkennungssystem, das einen anderen Sensor nutzt als die Sichtkamera des Bedieners, braucht unter Umständen eine eigene Beleuchtung.
Es gibt außerdem einen Fünf-Sekunden-Test, der kein Datenblatt braucht. Die meisten Infrarot-Fernbedienungen verwenden einen Strahler im nahen Infrarot. Richten Sie eine im Dunkeln auf die Kamera und drücken Sie eine Taste. Zeigt das Kamerabild den Strahler blinkend, empfängt der Sensor nahes Infrarotlicht durch den Filter hindurch, der gerade vor ihm sitzt. Zeigt das Bild nichts, wird auch eine Infrarotleuchte nichts zeigen.
Unsichtbares Licht flimmert trotzdem
Eine pulsweitenmoduliert betriebene Infrarot-LED schaltet sich viele Male pro Sekunde ein und aus, und eine Kamera, die die Szene abtastet, sieht dieses Schalten als Streifenbildung oder als Einzelbilder, die dunkler sind als ihre Nachbarn. Kein Mensch sieht das Flimmern, weil kein Mensch das Licht sieht, und genau deshalb bleibt es unerkannt.
Kamerasysteme im Fahrzeug mussten das bereits normieren. IEEE 2020-2024, die IEEE-Norm für die Bildqualität von Fahrzeugkamerasystemen, führt LED-Flimmern unter den Bildqualitätsmerkmalen, für die sie Messverfahren festlegt. Ein Erkennungsalgorithmus, der auf einem flimmernden Bildstrom arbeitet, hat in manchen Einzelbildern weniger nutzbare Information als in anderen, und die Bilder, die er verliert, sind nicht die, die ein Mensch bemerken würde.
Für eine Infrarotleuchte auf einer Maschine lauten die praktischen Fragen, ob der LED-Treiber mit Konstantstrom arbeitet statt gepulst und, falls er zum Dimmen gepulst wird, mit welcher Frequenz. Fragen Sie den Treibertyp schriftlich an. Dieselbe Treiberelektronik sitzt zudem direkt neben der Verkabelung der Kamera, die das nächstliegende Opfer ist, wenn der Treiber Störungen aussendet, und das ist eine Frage nach CISPR 25, die wir von der Funkseite her in warum Leuchten mit E-Mark trotzdem Funk und GPS stören behandelt haben. Die Kamera ist der nächste Empfänger auf dieser Liste.
Unsichtbares Licht braucht eine eigene Sicherheitsangabe
Die natürliche Abwehr des Auges gegen eine helle Leuchte ist, wegzusehen, zu blinzeln und die Pupille sich schließen zu lassen. Jede dieser Reaktionen setzt voraus, dass man das Licht sieht. Infrarotlicht löst keine davon aus.
IEC 62471, die Norm zur photobiologischen Sicherheit von Lampen und Lampensystemen, erfasst optische Strahlung von 200 nm bis 3.000 nm, was beide Wellenlängen der Infrarotbeleuchtung einschließt, und sie bewertet Infrarotgefährdungen für Hornhaut, Linse und Netzhaut getrennt von den Gefährdungen durch sichtbares Licht. Produkte werden in Risikogruppen von RG0, der freien Gruppe, bis RG3, hohes Risiko, eingestuft. Eine Infrarotleuchte ist von dieser Einstufung nicht ausgenommen, weil sie unsichtbar ist. Im Gegenteil: Dass die Person, die hineinsieht, keinerlei Warnung erhält, ist der Grund, warum es diese Einstufung gibt.
Fragen Sie beim Lieferanten die Risikogruppe nach IEC 62471 und die Entfernung an, in der sie bewertet wurde. Wir geben die Expositionsgrenzwerte hier nicht wieder, denn ein aus dem Zusammenhang gerissener Grenzwert ist der Weg, auf dem eine Sicherheitstabelle selbst zur Gefahr wird. Eine Risikogruppe auf dem Datenblatt, mit Prüfabstand, ist die Kennzahl, die sich vergleichen lässt.
Aus der Unsichtbarkeit folgen zwei praktische Punkte. Erstens sollte ein Infrarotstrahler anhand des Kamerabilds montiert und ausgerichtet werden, weil niemand sehen kann, wohin der Lichtkegel geht. Zweitens braucht eine Leuchte, die kein sichtbares Betriebszeichen gibt, eine andere Anzeige dafür, dass sie unter Spannung steht, sei es das Glimmen bei 850 nm, eine Status-LED oder ein Fehlersignal an die Maschinensteuerung.
Was in die Anfrage gehört
Ein Lieferant kann eine Infrarotleuchte nur in Bezug auf die Kamera spezifizieren, der sie dient. Die Anfrage, die eine brauchbare Antwort bekommt, nennt zuerst die Daten der Kamera und dann die der Leuchte.
| Angabe | Warum sie zählt |
|---|---|
| Kamerahersteller und -modell, und ob der IR-Sperrfilter fest oder entfernbar ist | Entscheidet, ob überhaupt eine Infrarotleuchte funktioniert |
| Entfernung, in der die Erkennung funktionieren muss, und das Sichtfeld | Legt die erforderliche Bestrahlungsstärke und den Abstrahlwinkel fest |
| Bevorzugte Wellenlänge, 850 nm oder 940 nm, oder „keine Präferenz“ | Reichweite gegen Glimmen und das daraus folgende Leistungsbudget |
| Bordnetz der Maschine, 12 V oder 24 V, und die am Montageort verfügbare Versorgung | Auslegung des LED-Treibers; abgedichtete Leuchten für diese Maschinen sind typischerweise für einen Bereich von 9–32 V DC ausgelegt |
| Montageposition und Umgebung: Hochdruckreinigung, Vibration, Temperatur | Dieselben Anforderungen an Abdichtung und Vibration wie bei den weißen Arbeitsscheinwerfern auf derselben Maschine |
| Geforderter Treibertyp, Konstantstrom oder gepulst, und etwaige Flimmergrenzwerte des Kameraherstellers | Bildqualität für den Erkennungsalgorithmus |
| Nach IEC 62471 geforderte Risikogruppe, vorgegeben vom Standort oder vom Maschinen-OEM | Photobiologische Sicherheit einer unsichtbaren Quelle |
Die weißen Leuchten auf derselben Maschine werden in denselben Begriffen von Abdichtung und Vibration spezifiziert, und die Reihe der Schwerlast-Arbeitsscheinwerfer zeigt, wie diese Werte auf einem Datenblatt aussehen. Die Reihe der Stapler-Sicherheitsleuchten ist der Ort, an dem kamerabasierte Personenerkennung am häufigsten zuerst auf eine Beleuchtungsfrage trifft.
Häufig gestellte Fragen
Kann eine Kamera Infrarotlicht bei 850 nm sehen?
Nur, wenn nichts es blockiert. Ein Bildsensor ist bei 850 nm empfindlich, aber eine Farbkamera mit festem IR-Sperrfilter blockiert dieses Licht, bevor es den Sensor erreicht. Eine Tag/Nacht-Kamera entfernt den Filter bei wenig Licht und sieht 850 nm dann gut. Prüfen Sie den Kameratyp, bevor Sie irgendeine Infrarotleuchte kaufen.
Ist 850 nm oder 940 nm besser für eine Maschinenkamera?
In den meisten Fällen 850 nm. Bildsensoren sind dafür empfindlicher, sodass es bei gleicher Strahlerleistung mehr Reichweite bringt, und sein schwaches rotes Glimmen an der Quelle lässt Menschen erkennen, dass die Leuchte eingeschaltet ist. Wählen Sie 940 nm nur, wenn die Quelle überhaupt kein sichtbares Licht zeigen darf, und rechnen Sie damit, das mit Strahlerleistung oder Reichweite zu bezahlen.
Haben Infrarotleuchten eine Lumenangabe?
Nein. Lumen sind über die Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges definiert, und Infrarot-Wellenlängen liegen außerhalb davon, sodass der Lichtstrom einer Infrarotleuchte per Definition null ist. Vergleichen Sie Infrarotleuchten stattdessen über die Strahlungsleistung in Watt und die Bestrahlungsstärke in Arbeitsentfernung.
Ist es sicher, in Infrarot-LED-Leuchten zu blicken?
Nicht automatisch. Infrarotleuchten werden nach IEC 62471 in dieselben Risikogruppen eingestuft wie sichtbare Leuchten, und die übliche Reaktion des Auges auf eine helle Quelle, Wegsehen und Schließen der Pupille, bleibt bei Licht aus, das es nicht sehen kann. Fragen Sie beim Lieferanten die Risikogruppe und die Entfernung an, in der sie bewertet wurde.
Beginnen Sie bei der Kamera
Die Entscheidung, die dieser Beitrag klärt, ist, was anzufragen ist. Stellen Sie sicher, dass die Kamera nachts Infrarot sieht, entscheiden Sie zwischen 850 nm und 940 nm nach Reichweite gegen Glimmen, und spezifizieren Sie die Leuchte über Bestrahlungsstärke in Arbeitsentfernung, Treibertyp und Risikogruppe nach IEC 62471 statt über Lumen.
Infrarotstrahler für Maschinenkameras sind eine Produktlinie, die wir derzeit evaluieren, und noch keine, die wir heute im Programm führen. Wenn Sie nachts Kameras auf Maschinen betreiben, nennen Sie uns die Kamera und die Entfernung, die sie abdecken muss, und wir sagen Ihnen, was ein abgedichteter Strahler für diese Maschine leisten müsste. Bis dahin sind die weißen Leuchten auf derselben Maschine in der Reihe der Schwerlast-Arbeitsscheinwerfer spezifiziert, und das Argument, mit dem dieser Beitrag begann, führen wir für Weißlicht in Reichen 3.000 Lumen für einen Arbeitsscheinwerfer aus.
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