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隨著安防行業(yè)的發(fā)展，24小時(shí)不間斷的監(jiān)控對夜視要求越來越高，尤其要求夜間隱蔽性監(jiān)控。因?yàn)閭鹘y(tǒng)式的照明燈光經(jīng)常會引起別人的注意，會提醒入侵者“裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)”，或者會影響周圍的住戶。而安裝紅外光源則不存在這些問題，因?yàn)榧t外光是一種波長大于780nm的不可見光。一般，產(chǎn)生這種不可見光的紅外光的方法有下列三種。
•熱紅外光源：直接使用白熾燈或值燈發(fā)出的紅外光，即在這兩種燈上安裝可見光濾鏡濾去可見光，只讓看不見的紅外射線射出。
•紅外發(fā)光二極管LED光源：即用紅外LED或LED陣列來產(chǎn)生紅外光，這種器件是通過半導(dǎo)體中的電子與空穴復(fù)合來產(chǎn)生紅外光的。
•半導(dǎo)體紅外激光光源：即使用紅外激光二極管LD，它把處于較低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上去，通過大量粒子分布反轉(zhuǎn)，共振而維持受激輻射。
前兩種方法都能生成或窄或?qū)挼墓馐Ｔ谑褂脤t外線較為敏感的攝像機(jī)，如CCD或CMOS攝像機(jī)、低照度增強(qiáng)型攝像機(jī)觀察場景時(shí)，可以獲得質(zhì)量相當(dāng)高的圖像。第三種光源的光束細(xì)而強(qiáng)，要照亮一定范圍的場景，需要通過擴(kuò)束鏡頭擴(kuò)束，目前多用于1km以上距離的監(jiān)控場景的夜視照明。

一、熱紅外光源

通常，物體在溫度較低時(shí)產(chǎn)生的熱輻射全部是紅外光，所以人眼不能直接觀察到。在熱輻射光源中通過加熱燈絲來維持它的溫度，供輻射繼續(xù)不斷地進(jìn)行。輻射體在不同加熱溫度時(shí)，輻射的峰值波長是不同的，其光譜能量分布也是不同的。根據(jù)以上原理，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)和工藝制成的紅外燈泡，其紅外光成分最高可達(dá)92%~95%。
紅外燈泡最大的優(yōu)點(diǎn)是可制成比較大的功率和大的輻照角度，因此照射的距離遠(yuǎn)。其最大不足之處是包含可見光成分，即有紅暴，且使用壽命短，如果每天工作10h，5000h只能使用一年多，若散熱不佳，壽命還要短。為提高熱輻射紅外燈的壽命，采用了光控開關(guān)電路，以減小其工作時(shí)間。此外，還增加了延時(shí)開關(guān)電路以防環(huán)境光干擾。
一般，徹?zé)艉桶谉霟艨梢哉樟辆嚯x攝像機(jī)100多米外的場景，因此，在其前端配一個只讓紅外線通過的濾鏡，完全可以為隱蔽式視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供足夠的紅外射線。由于這種熱紅外光源要消耗大量的能量，產(chǎn)生大量的熱，所以這種光源需要配備特制的散熱器或冷卻設(shè)備，才可以使其能夠持續(xù)工作。熱紅外光源照明系統(tǒng)，通過配用不同的前鏡頭，可以發(fā)出用于覆蓋較大范圍場景的寬光束或用于觀察遠(yuǎn)處目標(biāo)的聚光光束等不同形狀的光束，以適應(yīng)現(xiàn)場的具體需要。表1列舉了常用紅外燈的類型，以及它們的水平和垂直光束角。

表1 常用紅外燈及其光束角

光源的類別

燈的種類

輸入功率及電壓

光束角/°

照射距離/m

寬泛光燈

帶濾鏡的鹵鎢白熾燈

100W

水平60/垂直60

9.1

聚光燈

帶濾鏡的鹵鎢白熾燈

100W

水平10/垂直10

61.0

寬泛光燈

帶濾鏡的鹵鎢白熾燈

500W

水平40/垂直16

27.4

聚光燈

帯濾鏡的鹵鎢白熾燈

500W

水平12/垂直8

137.2

泛光燈

帯濾鏡的弧氙燈

400W、交流

40

152.4

聚光燈

帶濾鏡的短弧氙燈

400W、交流

12

457.2

泛光燈

發(fā)光二極管（TaAs）

50W（直流12V）

30

61.0

泛光燈

發(fā)光二極管（TaAs）

8W（直流12V）

40

21.3

 

注：（1）發(fā)光二極管發(fā)出的是850nm以上的紅外光；（2）鹵鎢燈和氙弧燈使用的濾鏡是可見光阻隔濾鏡。

二、紅外發(fā)光二極管（LED）光源

LED是發(fā)光二極管（Light Emitting Diode）的簡稱，是一種注入式電致發(fā)光器件，它實(shí)際是將PN結(jié)管芯燒結(jié)在金屬或陶瓷底座有引線的架子上，然后在四周用起到保護(hù)內(nèi)部芯線作用的環(huán)氧樹脂密封。其發(fā)光原理是：在LED的PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，使電子和空穴載流子在結(jié)區(qū)相遇復(fù)合（結(jié)區(qū)變窄），其實(shí)質(zhì)是電子從高能級的導(dǎo)帶釋放能量回到價(jià)帶與空穴復(fù)合，這種把多余的能量以光子的形式釋放出來，就把電能直接轉(zhuǎn)換成了光能，即發(fā)光。根據(jù)半導(dǎo)體物理中的公式
A=1240/£g（nm）
式中，籃為某半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的禁帶寬度，其單位為電子伏特；人為波長。
當(dāng)采用碑化鐐半導(dǎo)體（當(dāng)然也還有其他材料的半導(dǎo)體）時(shí)，其禁帶寬度峋決定它只能發(fā)出近紅外光。碑化鐐LED的電源線共有兩根，在加正向電壓通電后，即會發(fā)出近紅外光，光線經(jīng)過前端球形鏡頭的放大后就會射到場景中去。LED的最大輻射強(qiáng)度一般在光軸的正前方，并隨輻射方向與光軸夾角的增加而減小。輻射強(qiáng)度為最大值的50%的角度稱為半強(qiáng)度輻射角，不同封裝工藝型號的紅外發(fā)光二極管的輻射角度有所不同。神化鉉發(fā)光二極管的光轉(zhuǎn)換效率也相當(dāng)高，一般可以將50%的電能轉(zhuǎn)換成紅外光輻射能量。這種燈在略高于室溫的溫度下工作時(shí)，幾乎不發(fā)熱，因此也就不需要特別的冷卻裝置。
要想照亮一定距離的場景，常常需要幾十、幾百個LED構(gòu)成的平面式陣列，因此，可根據(jù)場景的情況，尤其距離的遠(yuǎn)近來配備LED的多少。各個發(fā)光二極管的紅外光輸出合并起來，就可以產(chǎn)生足夠多的光線，使其足以照亮被監(jiān)視的現(xiàn)場，從而使得CCD攝像機(jī)可以產(chǎn)生高質(zhì)量的黑白視頻圖像。此外，還可將紅外發(fā)光二極管裝在鏡頭上，與黑白CCD攝像機(jī)配用，或直接裝在攝像機(jī)與鏡頭接口周圍的機(jī)殼上。顯然，這兩種裝配的紅外LED少，其照射的距離肯定不如單獨(dú)的紅外LED陣列燈照射的遠(yuǎn)。
這種發(fā)光器件和白熾燈泡相比，有體積小、耐沖力、壽命長、功耗低、響應(yīng)快、可靠性高、顏色鮮明、易和集成電路匹配等特點(diǎn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。
目前，紅外LED光源已由第一代傳統(tǒng)的LED、第二代小功率陣列式LED，發(fā)展到第三代大功率陣列式LED（即LED Array）。它首先由美國Pacific Cybervision公司開發(fā)生產(chǎn)，其每顆LED Array可集成60粒LED發(fā)光晶體，一開始時(shí)光學(xué)輸出就達(dá)到了800-1000mW，而目前，新一代的單個LED Array的光學(xué)輸出就己能做到4000mW以上，發(fā)光半功率角為10-120°（可變角）。它既有第二代紅外LED燈的體積小、散熱處理好、壽命長的優(yōu)勢，又解決了第二代紅外LED陣列式光源因偏心而不夠亮的缺點(diǎn)。這種大功率陣列式LED的價(jià)格接近或低于傳統(tǒng)LED，是集第一代、第二代優(yōu)點(diǎn)于一身，并完全避免了缺點(diǎn)的最新一代紅外LED光源，目前己成為高質(zhì)量夜間監(jiān)控的一種理想選擇。
三、半導(dǎo)體紅外激光光源
半導(dǎo)體激光器是一種新型的發(fā)光器件，和上述光源相比，它具有方向性強(qiáng)、單色性好、相干性好、亮度高等突出優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)產(chǎn)生激光所必須滿足的要求，它一般由激發(fā)裝置（泵源）、工作物質(zhì)及共振腔3部分組成。半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)種類很多，其中GaAs是第一種有紅外激光作用的半導(dǎo)體材料。其他Ⅲ-Ⅴ族化合物激光器的性質(zhì)與GaAs相似，Ⅳ-Ⅵ族化合物如PbSePbTe、PbS等也都有激光作用。適當(dāng)選擇這些材料，可得到不同頻率的激光。
隨著光電信息技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器發(fā)展很快，由最初的同質(zhì)PN結(jié)與異質(zhì)結(jié)式發(fā)展到分布反饋式、量子阱式、垂直腔表面發(fā)射式、微腔式，以及光纖激光器與光子晶體激光器等，發(fā)光功率由小到大，種類齊全，應(yīng)有盡有，完全可供安防需要選擇。
由于激光紅外光源的光束細(xì)而強(qiáng)，要照亮一定范圍的場景，需要通過擴(kuò)束鏡頭擴(kuò)束。這種光源應(yīng)用的最大優(yōu)勢在于激光具有很高的發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度和方向性，其電光轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)80%，從而可大大降低能耗，增加照明距離，目前多用于1km以上距離的監(jiān)控場景的夜視照明。一般，半導(dǎo)體紅外激光器采用金屬封裝和專用電源，并通過先進(jìn)的半導(dǎo)體溫控技術(shù)使得產(chǎn)品始終在設(shè)定的合理溫度下工作，壽命能夠得到較好的保證。紅外激光光源與配有長焦距鏡頭的攝像機(jī)組合，可以較好地實(shí)現(xiàn)夜間遠(yuǎn)距離監(jiān)控。特別適合應(yīng)用于邊防、海防、森林防火、交通工程等大型項(xiàng)目。但由于工藝比較復(fù)雜、產(chǎn)量比較低，其價(jià)格比LED光源高：且激光燈功率過大對人身體健康有一定的副作用，因而需選擇在安全值。
四、三種紅外光源的比較與選擇
三種紅外光源各有其優(yōu)劣。開始使用紅外光源時(shí)，由于紅外LED的功率小、價(jià)格也較貴，因而多使用熱紅外光源。隨著光電信息技術(shù)的發(fā)展，紅外LED的功率增大、價(jià)格下降，因此使用紅外LED的越來越多。尤其現(xiàn)在可使用第三代LED-Array，它是高度集成的LED，其體積小、亮度高、壽命長、發(fā)光角度可調(diào)寬，是高質(zhì)量夜間監(jiān)控的一種理想選擇。顯然，紅外LED及LED-Array淘汰了熱紅外光源，因?yàn)橛肔ED-Array完全可照射到幾百米監(jiān)控場景的距離。但對于1km以上的超遠(yuǎn)距離場景的監(jiān)控，還是要選擇紅外LED光源。
第三代紅外LED光源填補(bǔ)了第一代傳統(tǒng)LED、第二代陣列式光衰快、使用壽命短、電光轉(zhuǎn)換效能低、亮度不足、散熱性能不良、功耗大等缺點(diǎn)，是全球紅外夜視技術(shù)領(lǐng)域的新的突破。這種新一代的紅外光源在產(chǎn)品性能與應(yīng)用等方面與激光紅外相比，也有明顯的優(yōu)勢。它以先進(jìn)的集成與獨(dú)特的封裝技術(shù)，類似單顆燈形式完全取代第二代多顆燈模式，不僅電光轉(zhuǎn)化效率高，而且降低了功耗。又由于散熱性能良好，使用壽命是激光紅外與傳統(tǒng)紅外燈的4~5倍，因而已廣泛應(yīng)用于安防視頻監(jiān)控市場。

第三代紅外LED光源與半導(dǎo)體紅外激光光源的比較。如表2所示。

表2 第三代紅外LED光源與半導(dǎo)體紅外激光光源的比較

類別

發(fā)光原理

輸入功率

光束角度

照射距離

壽命

體積

成本

鷲

光線均勻性

應(yīng)用

第二代紅外LED

電子空穴復(fù)合發(fā)光

幾W~幾
十W

可達(dá)120"

幾十~幾百米

長

小

低

好

好

 

半導(dǎo)體紅外激光LD

諧振激發(fā)發(fā)光

一般幾W

角度小，需擴(kuò)束

1km以上

短

加擴(kuò)束鏡較大

高

較好

較好

多為軍用