Işığın Temel Prensibi

Elektromagnetik Radyasyon
Işık elektromanyetik radyasyon formunda bir enerjidir. Elektromanyetik radyasyonun tüm farklı formları bir nesneyle karşılaştıklarında birbirilerinden farklı tepkiler vermelerine rağmen temelde aynı iletim özelliklerine sahiptirler. Elektromanyetik radyasyon dalgaboyunu gösteren nanometre birimiyle ölçülür. 1 metre 1.000.000.000 nanometreye eşittir. Frekans dalgaboyuna bölünmüş ışık hızıdır. örneğin 830 nm dalga boyu 3.6 x 10^14 Hz’ dir.

Yukarıdaki diyagramda görüldüğü üzere insan gözü tarafından algılanabilen elektromanyetik spektrum toplam spektrumun çok küçük bir bölgesidir.

Elektromanyetik Dalgalar
Işık enerjisinin iletimi dalga hareketiyle doğru bir şekilde anlatılabilir.

Elektromanyetik dalgalar iletim için herhangi bir ortama ihtiyaç duymaz. Dolayısıyla vakumlu bir alan içinden de geçebilir.

Elektromanyetik radyasyonun farklı tipleri farklı dalgaboylarına ve frekanslara sahip olabilir. ( Radyo dalgası, görülür ışık ve gama ışınları gibi )

Bütün elektromanyetik dalgalar aynı hızda hareket eder. Bu hız vakumlu ortamda 300.000.000 metredir. Bu hız ışık hızına eşittir.

Elektromanyetik dalga doğrusal bir hat üzerinde ilerler. Ancak bu doğrusal hat aşağıdakilerden etkilenebilir :
Yansıma : Ayna vb yüzeylerden meydana gelen yansıma.
Kırılma : Farklı yüzeylerin sınırlarında meydana gelen açı değişimleridir. Farklı dalgaboyları farklı kırılma açılarına sahiptir.
Dağılma : Cisimlerin köşeleri yüzünden meydana gelen sapmadır.

Görülebilir Radyasyon
İnsan gözü tarafından görülebilen ve yaklaşık 380 nm ile 760 nm arasında bulunan dalga boylarıdır. Bütün bu dalga boyları eşzamanlı olarak görüldüğünde insan gözü farklı dalgaboylarını birbirinden ayırdedemez ve beyaz ışık olarak görür. Bu nedenle beyaz ışık bir dalga boyu değil farklı dalgaboylarının kombinasyonudur. Bu etki beyaz ışık bir prizmadan geçirilerek tersine çevrilebilir.

Infrared ışığın 715 nm’ den uzun dalga boyuna sahip olduğu kabul edilir. Aşağıdaki grafikte insan gözünün görebildiği ışık ile CCTV kameralarda kullanıl iki temel tip infrared ışığın karşılaştırması görülmektedir.

Işık Enerjisinin Ölçümü
Işık elektromanyetik radyasyonun bir formudur. Gücü watt ile ölçülür ve yoğunluğu watt/metrekare ile ölçülmektedir. Bu tüm dalgaboyları için geçerlidir. Görülebilir ışıkta ise güç ölçümü için lümen, yoğunluk ölçümü için lux birimleri kullanılır. Lümen algılanan parlaklıkla ilişkili olduğu için lümen ve watt arasındaki ilişki dalgaboyuna bağlıdır. Lümen değeri infrared dalga boyunda sıfıra yaklaşır. İşte bu yüzden infrared radyasyon lüx değeri ile açıklanamaz.

Kameraların Infrared Işığa Karşı Duyarlılıkları
Bir güvenlik kamerasının CCD sensörü ışığa duyarlı binlerce diyottan oluşmaktadır. Örnek vermek gerekirse 570 TVL çözünürlüğe sahip bir CCD güvenlik kamerasının imaj sensörü yaklaşık olarak 400.000 diyottan oluşmaktadır. İmaj sensör üretiminde kullanılan iki farklı malzeme vardır. Bunlar silisyum ve germanyumdur. Bu iki malzemenin ışığın farklı dalgaboylarına verdikleri cevaplar aşağıdaki grafikte gösterilmiştir.

Bu nedenle CCTV uygulamalarında imaj sensörün üretiminde kullanılan malzemenin cinsi güvenlik kamerasının görünür ve infrared ışığa karşı verdiği cevabı önemli ölçüde etkileyecektir.

Kameraların Spektral Cevapları
Kameralar ışığın farklı spektrumlarıa farklı cevaplar vermektedir. Bu olgu göreceli spektral duyarlılık olarak açıklanır. Aşağıdaki grafikte iki farklı kameranın değişik spektrumlardaki ışığa verdikleri cevaplar görülmektedir. B kamerasının daha geniş bir alanı kapsadığı için daha iyi görüntü vereceği düşünülebilir ancak durum böyle değildir. B kamerası grafikten anlaşılacağı üzere kızılötesi dalga boyunda iyi görüntü alabilmektedir. Ancak gündüz şartlarında B kamerasıyla görüntü alınmaya çalışıldığında insan gözünün algılayamadığı yeşil tonları da B kamerasının görüntüsünde yer alacaktır.

Işık ve Aydınlatma
Sadece doğal ışık tam olarak düzgün bir aydınlatma sağlar. Tüm yapay ışıkların aydınlık seviyeleri ışık kaynağından uzaklaştıkça düşecektir. Bu mesafe iki katına çıkarsa aydınlık seviyesi dörtte bir azalacaktır olarak formüle edilebilir.

Aydınlatma ile mesafe arasındaki bu ilişkinin formülü aşağıda verilmiştir :

Bu faktör bir kamera için aydınlık hesabı yapılırken gözönünde bulundurulmalıdır. Örneğin 20 metrede 30 lüx aydınlatma seviyesine sahip bir lamba 40 metrede 7.5 lüx ve 60 metrede 3.3 lüx aydınlık düzeyine sahip olacaktır.

Yukarıdaki örnekte anlatılan ışık beyaz ışıktır. Çünkü daha öncede belirttiğimiz gibi infrared ışık lüx ile ölçülemez.

Bir alandaki ışık faktörünü etkileyen diğer bir faktörde ışığın yüzeye geliş açısıdır.

Yukarıdaki diyagramda bir yüzeye belli bir açıyla ışık vurduğunda ortaya çıkan durum anlatılmaktadır. Gelen ışığın kosinüs değerine göre efektif alan doğru orantılı bir şekilde azalacaktır. Çok fazla matematiksel karmaşıklığa düşmeden açıklama gerekirse bu ; bir yüzeye vuran ışık ışığın geliş açısının kosinüs değerine göre yansır anlamına gelmektedir.

Maksimum aydınlatma ışık demetinin vurduğu merkezde yer almaktadır.

Düzgün Işık Dağıtımı
Derwent lambaları çalışma prensiplerini radar antenlerinden almışlardır. Aydınlatma seviyesini uzun, kısa, yüksek alçak heryere aynı ölçüde göndermeyi amaçlar. Örneğin 10 metre bir hedefle 100 metre ötedeki bir hedefi aynı düzeyde aydınlatabilmek için 100 metre ötedeki hedefe 10 metre ötedekinden 100 kat fazla ışık gönderilmelidir, böylece ters kare etkisi önlenecektir.

Derwent sistemi uzak yakın heryerde aynı aydınlık seviyesini elde etmek için dizayn edilmiştir.

Lensler
Işığın kamera imaj sensörüne gitmeden önce geçmesi gereken ilk yer kamera lensidir. Eğer kamera lensinde bir problem varsa tüm sistem en baştan problem yaratacaktır. Tüm lensler görülebilir ışıkta görüntü oluşturma ihtiyacına cevap olarak üretilmiştir. Aşağıda bir lensin spektral cevabını gösteren grafik görülmektedir. Görüldüğü üzere 715 nm dalga boyunda, 550 nm dalgaboyunun %60′ ı kadar spektral cevap verebilmektedir.

Diyafram
f numarası bir lensin odak uzaklığının efektif lens çapına oranıdır. Bu değer bir lensin imaj sensöre ne kadar ışık geçirebileceğini etkilemektedir. Piyasada sıklıkla kullanılan lensler genellikle f1.4 değerine sahiptirler.

Basitçe anlatmak gerekirse küçük f numaraları imaj sensöre daha fazla ışık geçirecektir. Bu yüzden f1.2 lens f1.8 lense göre daha iyidir.

Aşağıda f değerlerine göre ışık geçirme oranları listelenmiştir.
f1.0 : %20
f1.2 : %15
f1.4 : %10
f1.8 : %7.5
f2.0 : %5
f2.8 : %2.5
f4.0 : %1.25
f5.6 : %0.625

Bu yüzden f1.4 lens kullanıldığında 1 lüx’ lük bir hassasiyet için 10 lüx aydınlık gerekmektedir.

Sensör Boyutunun Etkisi
Öncedende belirtildiği gibi ışık enerjisi metrekareye düşen watt değerinden ölçülebilmektedir. Bu sayede sensör alanı bilindiğinde ortaya çıkan watt değeri kolaylıkla hesaplanabilir. Aşağıda bazı imaj sensör tiplerinin nominal alanları gösterilmiştir.
2/3″ : 68 mm^2
1/2″ : 36 mm^2
1/3″ : 17 mm^2

Herbir piksel tarafından üretilen güç imaj sensörün alanıyla doğrudan ilişkilidir. Eğer 3 farklı kamerada 500 tvl çözünürlüğe sahipse bu kameralardaki piksel sayılarının eşit olması gerekmektedir. Bunun sonucu olarak imaj sensörü küçük olan kameralarda piksellerde küçük olmalıdır. Pikseller küçük olduğunda aynı miktar ışıkta ve aynı diyafram koşullarında üretilen enerji de azalacaktır.

Örneğin 1000 miliwatt / m^2 bir ışık kaynağından gelen ışık f1.8 diyaframa sahip bir lens kullanılanarak değişik imaj sensör boyutlarında aşağıdaki sonuçları verecektir :
2/3″ : 5.1mW
1/2″ : 2.7mW
1/3″ : 1.275mW

Yukarıda çıkan sonuçlara göre 1/2″ ve 1/3″ imaj sensörler tam bir video sinyali için yeterli güç çıkışına sahip olamayacaklardır. Bunu önlemek için daha küçük f değerine sahip lensler kullanmak gerekecektir.

Diğer Lens Faktörleri
Lens dizaynında alınan görüntüyü etkileyen birçok faktör vardır :
Yansıtma : İç yansıtma nedeniyle ışığın bir kısmı kaybedilecektir.
Astigmatizm : Lens eğrisinin dikey ve yatayda farklı olmasından kaynaklanan bir bozukluk
Küresel Bozukluk : Lensin dışbükey yüzeyi tam olarak küresel değildir. Buda ışığın aynı noktaya odaklanmasını önler
Balık Gözü Bozulması : Görüntüde bombeleşmeye yol açar.
Renk Bozukluğu : Işığın farklı frekansları farklı açılarda kırılır bu sebeple görüntü bulanıklaşır.

Yansıtma
Kamera sadece cisimlerden yansıyan ışığı görebilecektir. Bazı cisimlerin yansıtma katsayıları aşağıda verilmiştir.
– Mat beyaz yüzey %89
– Karlı yüzey %85
– Cam pencere veya duvar %70
– Beyaz mat boya %60
– Boyanmamış beton %40
– Kırmızı tuğla %35
– Açık alan, ağaç, çim %20 ( Bu IR için %60-%70 olabilir. )
– Boş asfalt alan %5

IR Kamera Seçiminde Dikkat Edilecek Hususlar
IR gece görüş kameralarının liste özelliklerinde verilen gece görüş mesafeleri optimum şartlar için ölçülmüştür. Gece görüş kameralı güvenlik kamerası sistemleri dizayn edilirken gece görüş menzilini azaltan aşağıdaki faktörler gözönüne alınmalıdır :
– Tozlu ortamlarda gece görüş menzili düşecektir.
– Karlı, yağmurlu hava şartlarında gece görüş menzili önemli ölçüde düşecektir.
– Nemli hava şartlarında havadaki su zerrecikleri IR ışığı yansıtacağından gece görüş menzili düşecektir.

Tüm bu faktörlerin yanı sıra IR kamera ile görüntü alabilmek için maksimum gece görüş menzili içerisinde ışığın yansıyıp geri gelebileceği katı bir yüzey olmak zorundadır.