Gli illuminatori a infrarossi per telecamere si misurano in watt, non in lumen

Le telecamere stanno assumendo, sulle macchine, compiti che un tempo spettavano agli occhi dell'operatore: rilevamento di prossimità sugli escavatori, rilevamento pedoni sui carrelli elevatori, la vista multi-telecamera su una pala caricatrice comandata a distanza. Di notte ognuna di esse ha bisogno di luce, e quella luce non deve per forza essere visibile.

Costruiamo fari da lavoro sigillati per queste macchine, e questo mese una richiesta di un distributore di illuminazione per veicoli chiedeva un faro a 850 nm. Lavorare su quella richiesta ha messo in luce una lacuna comune a ogni specifica per luce bianca: il numero con cui l'intero settore confronta i fari non esiste per un illuminatore a infrarossi.

Questo articolo spiega perché, cosa verificare sulla telecamera prima di spendere qualsiasi cifra per un illuminatore, come scegliere tra 850 nm e 940 nm e quali dati chiedere a un fornitore al posto dei lumen.

La risposta breve: il lumen è definito rispetto alla risposta dell'occhio umano, e la luce infrarossa cade fuori da quella curva, quindi un illuminatore a infrarossi si specifica in potenza radiante e irradianza a una data distanza, non in lumen. Prima ancora di confrontare gli illuminatori, accertatevi che la telecamera rimuova di notte il proprio filtro IR-cut o ne sia priva, perché una telecamera con filtro fisso non vede la luce infrarossa. Scegliete 850 nm per la portata e 940 nm solo quando il debole bagliore rosso alla sorgente è di per sé un problema.

Perché la telecamera ha bisogno di una luce che l'operatore non vede

Un sistema di rilevamento basato su telecamera fallisce al buio per la stessa ragione per cui fallisce un operatore: nessuna luce raggiunge il sensore. La differenza è che alla telecamera si può fornire una luce che non illumina nient'altro.

L'avviso di collisione sulle macchine movimento terra è ormai una funzione normata. La ISO 21815-1:2022 fissa i requisiti generali per il rilevamento degli oggetti e l'avviso all'operatore. È scritta attorno alla funzione, non a un sensore specifico, e i sistemi basati su telecamera sono tra quelli progettati per soddisfarla. Una telecamera di rilevamento pedoni su un carrello elevatore, una telecamera posteriore su un dumper e la batteria di telecamere di una macchina comandata a distanza condividono un'unica esigenza: luce sufficiente sulla scena per formare un'immagine utilizzabile, in ogni ora in cui la macchina lavora.

I fari da lavoro a luce bianca soddisfano quell'esigenza a un prezzo. Illuminano l'intero cantiere, abbagliano chiunque si trovi di fronte alla macchina e sono orientati sul campo visivo dell'operatore, non su quello della telecamera. Un emettitore a infrarossi mette la luce esattamente dove guarda la telecamera, a una lunghezza d'onda che il sensore può sfruttare e che una persona nota appena. È per questo che l'illuminazione a infrarossi è la norma sulle telecamere di sicurezza fisse, ed è per questo che sta iniziando a seguire la telecamera a bordo della macchina.

La stessa richiesta che ha dato origine a questo articolo è arrivata con un disegno di specifica completo. Elencava tensione, dimensioni, fissaggio e connettore. Ciò che non poteva elencare, perché il dato non esiste, erano i lumen.

Un illuminatore che il valore in lumen non può descrivere

Il flusso luminoso, la grandezza dietro ogni valore in lumen, è definito pesando la potenza radiante della lampada sulla sensibilità spettrale dell'occhio umano. Quella funzione di peso, nota come V(λ), è fissata nella ISO/CIE 23539, il sistema CIE di fotometria fisica, e la CIE ne pubblica i valori da 360 nm a 830 nm. Oltre 830 nm la tabella pubblicata semplicemente si ferma, e qualsiasi radiazione in quella zona non contribuisce in nulla al valore in lumen.

Entrambe le lunghezze d'onda comuni per l'illuminazione a infrarossi stanno oltre quel limite. Un emettitore a 850 nm o a 940 nm può irradiare diversi watt di potenza ottica e avere comunque un flusso luminoso pari a zero, perché l'occhio per cui il lumen è definito non risponde a quelle lunghezze d'onda. Il valore è zero per definizione.

Questo cambia ciò che una scheda tecnica deve riportare. L'intero vocabolario del confronto tra luci bianche, trattato nella nostra voce di glossario su lumen, lux e candela, ha un gemello radiometrico che descrive la stessa geometria senza l'occhio di mezzo.

Il dato che decide se la telecamera ottiene un'immagine utilizzabile è l'irradianza alla distanza di lavoro, esattamente come l'illuminamento sulla superficie di lavoro è il dato che decide per una persona. Il nostro articolo su perché 3.000 lumen non sono una specifica sostiene questa tesi per la luce bianca. Per l'infrarosso il valore in lumen non è semplicemente poco utile. È assente.

Un fornitore che quota un illuminatore a infrarossi in lumen ha convertito dai watt elettrici, che non dicono nulla sull'emissione ottica, oppure sta quotando la debole coda visibile di un emettitore a 850 nm. Nessuno dei due numeri descrive ciò che arriva alla telecamera.

850 nm o 940 nm: portata contro bagliore

La scelta tra le due lunghezze d'onda standard è un compromesso tra quanto lontano la telecamera riesce a vedere e se qualcuno riesce a vedere l'illuminatore.

Axis Communications, che integra l'illuminazione a infrarossi nelle proprie telecamere, espone il compromesso senza giri di parole nel suo white paper pubblicato sull'infrarosso nella videosorveglianza: gli emettitori a 850 nm producono un debole bagliore rosso visibile alla sorgente, quelli a 940 nm no, ma il sensore d'immagine è meno sensibile a 940 nm, quindi un illuminatore a 850 nm della stessa potenza arriva più lontano. Su questa base Axis ha scelto 850 nm per i propri prodotti.

Su una macchina il bagliore a 850 nm è di solito un vantaggio più che un problema. È l'unico modo in cui un operatore che gira attorno alla macchina può capire che l'emettitore è alimentato, e non costa nulla in portata. Scegliete 940 nm quando l'applicazione richiede davvero che la sorgente non mostri alcuna luce, e in quel caso mettete in conto più potenza di emissione o una portata di rilevamento più corta.

Verificate il filtro IR-cut prima di acquistare qualsiasi illuminatore

L'errore più costoso in questa categoria è acquistare un illuminatore a infrarossi per una telecamera che non vede la luce infrarossa. È frequente, ed è invisibile sulla scheda tecnica.

I sensori d'immagine a colori sono sensibili fin dentro il vicino infrarosso. Quella sensibilità rovina i colori diurni, per cui quasi tutte le telecamere a colori montano un filtro IR-cut davanti al sensore. Su una telecamera a filtro fisso, il filtro resta sempre in posizione e la luce a 850 nm viene bloccata prima di raggiungere il sensore. Su una telecamera day/night, il filtro viene rimosso meccanicamente quando la luce scende sotto una soglia, e il sensore sfrutta allora la luce infrarossa. Axis descrive questa commutazione nello stesso white paper. Le telecamere monocromatiche usate per la visione artificiale spesso non hanno alcun filtro.

La conseguenza è che a decidere se l'illuminazione a infrarossi funziona è la telecamera, non l'illuminatore. Tre domande chiudono la questione:

La telecamera è di tipo day/night con filtro IR-cut rimovibile, oppure è una telecamera a colori con filtro fisso? La scheda tecnica del produttore lo indica. Se non lo fa, chiedetelo.

A quale livello di luce commuta, e la commutazione può essere forzata? Alcuni sistemi permettono di impostare manualmente la modalità notturna, cosa che conta su una macchina che si sposta tra zone illuminate e non illuminate.

Il software di rilevamento lavora sullo stesso flusso di immagini? Un sistema di rilevamento che usa un sensore diverso dalla telecamera di visione dell'operatore può aver bisogno di un'illuminazione propria.

C'è anche una verifica da cinque secondi che non richiede alcuna scheda tecnica. La maggior parte dei telecomandi a infrarossi usa un emettitore nel vicino infrarosso. Puntatene uno verso la telecamera al buio e premete un tasto. Se l'immagine della telecamera mostra l'emettitore che lampeggia, il sensore sta ricevendo luce nel vicino infrarosso attraverso qualunque filtro abbia davanti. Se l'immagine non mostra nulla, nemmeno un illuminatore a infrarossi mostrerà nulla.

La luce invisibile sfarfalla comunque

Un LED a infrarossi pilotato in modulazione a larghezza di impulso si accende e si spegne molte volte al secondo, e una telecamera che campiona la scena vede quella commutazione come bande o come fotogrammi più scuri dei vicini. Nessuna persona vede lo sfarfallio, perché nessuna persona vede la luce, ed è esattamente per questo che resta senza diagnosi.

I sistemi di telecamere automotive hanno già dovuto normare questo aspetto. La IEEE 2020-2024, lo standard IEEE per la qualità d'immagine dei sistemi automotive, include il flicker dei LED tra gli attributi di qualità d'immagine per cui specifica metodi di misura. Un algoritmo di rilevamento che lavora su un flusso di immagini che sfarfalla ha in alcuni fotogrammi meno informazione utile che in altri, e i fotogrammi che perde non sono quelli che una persona noterebbe.

Per un illuminatore a infrarossi su una macchina, le domande pratiche sono se il driver è a corrente costante anziché a impulsi e, se è a impulsi per la regolazione dell'intensità, a quale frequenza. Chiedete per iscritto il tipo di driver. La stessa elettronica del driver sta inoltre accanto al cablaggio della telecamera, che è la vittima più vicina se il driver è rumoroso, e questa è una questione CISPR 25 che abbiamo trattato dal lato della radio in perché i fari marcati E disturbano lo stesso radio e GPS. La telecamera è il ricevitore successivo in quell'elenco.

La luce invisibile ha bisogno di una propria riga sulla sicurezza

La normale difesa dell'occhio contro una lampada intensa è distogliere lo sguardo, battere le palpebre e lasciare che la pupilla si contragga. Ognuna di queste reazioni dipende dal vedere la luce. La luce infrarossa non ne innesca nessuna.

La IEC 62471, lo standard di sicurezza fotobiologica per lampade e sistemi di lampade, copre la radiazione ottica da 200 nm a 3.000 nm, intervallo che include entrambe le lunghezze d'onda dell'illuminazione a infrarossi, e valuta i rischi da infrarosso per cornea, cristallino e retina separatamente dai rischi da luce visibile. I prodotti sono classificati in gruppi di rischio da RG0, esente, a RG3, rischio elevato. Un illuminatore a infrarossi non è esente da quella classificazione perché è invisibile. Semmai, l'assenza di qualsiasi avvertimento per la persona che lo guarda è la ragione per cui la classificazione esiste.

Chiedete al fornitore il gruppo di rischio IEC 62471 e la distanza a cui è stato valutato. Non riportiamo qui i limiti di esposizione, perché un limite copiato fuori contesto è il modo in cui una tabella di sicurezza diventa a sua volta un pericolo. Un gruppo di rischio su una scheda tecnica, con una distanza di prova, è il dato da confrontare.

Dall'invisibilità seguono due punti pratici. Primo, un emettitore a infrarossi va montato e orientato usando l'immagine della telecamera stessa, perché nessuno può vedere dove va il fascio. Secondo, un illuminatore che non dà alcun segno visibile di funzionamento ha bisogno di un'altra indicazione che è alimentato, che sia il bagliore a 850 nm, un LED di stato o un segnale di guasto verso la centralina della macchina.

Cosa mettere nella richiesta

Un fornitore può specificare un illuminatore a infrarossi solo rispetto alla telecamera che serve. La richiesta che ottiene una risposta utile riporta prima i dati della telecamera e poi quelli dell'illuminatore.

I fari a luce bianca sulla stessa macchina si specificano negli stessi termini di tenuta e vibrazione, e la gamma fari da lavoro per impieghi gravosi mostra come si presentano quei dati su una scheda tecnica. La gamma di fari di sicurezza per carrelli elevatori è il punto in cui il rilevamento pedoni basato su telecamera incontra più spesso, per la prima volta, una questione di illuminazione.

Domande frequenti

Una telecamera può vedere la luce infrarossa a 850 nm?

Solo se nulla la blocca. Un sensore d'immagine è sensibile a 850 nm, ma una telecamera a colori con filtro IR-cut fisso blocca quella luce prima che raggiunga il sensore. Una telecamera day/night rimuove il filtro in condizioni di scarsa luce e da quel momento vede bene a 850 nm. Verificate il tipo di telecamera prima di acquistare qualsiasi illuminatore a infrarossi.

Per una telecamera di bordo macchina è meglio 850 nm o 940 nm?

850 nm, nella maggior parte dei casi. I sensori d'immagine sono più sensibili a questa lunghezza d'onda, quindi offre più portata a parità di potenza di emissione, e il suo debole bagliore rosso alla sorgente permette alle persone di capire che l'illuminatore è acceso. Scegliete 940 nm solo quando la sorgente non deve mostrare alcuna luce visibile, e aspettatevi di pagarlo in potenza di emissione o in portata.

Gli illuminatori a infrarossi hanno un valore in lumen?

No. I lumen sono definiti rispetto alla curva di risposta dell'occhio umano, e le lunghezze d'onda infrarosse cadono fuori da essa, quindi il flusso luminoso di un illuminatore a infrarossi è zero per definizione. Confrontate invece gli illuminatori a infrarossi per flusso radiante in watt e per irradianza alla distanza di lavoro.

È sicuro guardare un illuminatore LED a infrarossi?

Non automaticamente. Gli illuminatori a infrarossi sono classificati secondo la IEC 62471 negli stessi gruppi di rischio delle lampade visibili, e la consueta reazione dell'occhio a una sorgente intensa, distogliere lo sguardo e contrarre la pupilla, non avviene con una luce che non può vedere. Chiedete al fornitore il gruppo di rischio e la distanza a cui è stato valutato.

Partite dalla telecamera

La decisione che questo articolo chiude è cosa chiedere. Accertatevi che la telecamera veda l'infrarosso di notte, decidete tra 850 nm e 940 nm sulla base di portata contro bagliore, e specificate l'illuminatore per irradianza alla distanza di lavoro, tipo di driver e gruppo di rischio IEC 62471 anziché per lumen.

Gli emettitori a infrarossi per telecamere di bordo macchina sono una linea di prodotto che stiamo valutando, non una che abbiamo oggi a catalogo. Se utilizzate telecamere su macchine di notte, indicateci la telecamera e la distanza che deve coprire, e vi diremo che caratteristiche dovrebbe avere un emettitore sigillato per quella macchina. Nel frattempo, i fari a luce bianca sulla stessa macchina sono specificati nella gamma fari da lavoro per impieghi gravosi, e la tesi da cui è nato questo articolo è sostenuta per la luce bianca in 3.000 lumen bastano per un faro da lavoro.

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