紅外光源及其在安防監(jiān)控中的應(yīng)用隨著光電信息技術(shù)的發(fā)展，紅外固體發(fā)光器件己由傳統(tǒng)的紅外LED，小功率陣列式LED，到現(xiàn)在的大功率陣列式LED，即新一代紅外光源LED-Array。該光源的出現(xiàn)，克服了第一、二代紅外光源的缺陷，使得安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)24小時不間斷地監(jiān)控真正變?yōu)楝F(xiàn)實。本文介紹紅外光源的種類、發(fā)展，新一代陣列式紅外光源的特點與半導(dǎo)體激光紅外光源的區(qū)別與比較，以及它在安防視頻監(jiān)控中的應(yīng)用與發(fā)展前景。

　　光是生命的源泉，它哺育了世間的萬物，為人類世界帶來了智慧和光明。如果沒有光，就不可能有我們現(xiàn)在的文明。因而，從抽象的藝術(shù)表現(xiàn)到有效的科學(xué)應(yīng)用，光(光學(xué))為我們提供了很有價值的信息資源。1860年，麥克斯韋電磁理論建立后，才認識到光也是一種電磁現(xiàn)象。原來光和無線電波一樣，也是一種電磁波，只不過光的波長比無線電波短得多而已。

　　電磁波譜及波段劃分如圖1所示。由圖1可知，電磁波包括的范圍很廣，如現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的宇宙射線，其波長小于幾個皮米(1pm=10-12m)，而廣播用的無線電波的波長則達上千米，它們都屬于電磁波的范疇。光波僅僅是電磁波中的一小部分，它包括的波長區(qū)間約從幾個納米(1nm=10-9m)到1mm左右。這些光并不是人眼都能看得見的。其中只有波長從約380nm到780nm范圍內(nèi)的電磁波，才能引起人眼感光細胞的直接感覺。這一段波譜我們稱為可見光區(qū)。為了清楚起見，分別將紫外、可見和紅外光部分放大如圖1下部分所示。在可見光中，波長最短的是紫光，稍長的是藍光，以后的順序是青光、綠光、黃光、橙光和紅光，紅光的波長最長。而在不可見光中，波長比紫光短的光稱為紫外線，比紅光長的叫紅外線。紅外光的波長有3個區(qū)：波長從0.78μm～1.5μm的光為近紅外光;波長從1.5μm～10μm的光為中紅外光; 波長從10μm～1000μm的光為遠紅外光。

　　顯然，那種說：“可見光的波長是300nm～700nm”，“波長超過700nm的光線叫做紅外線”，“715nm的紅外燈能使大多數(shù)黑白攝像機或晝夜轉(zhuǎn)換攝像機對該波長范圍的紅外光都比較敏感，從而達到對攝像機選擇要求不高的效果，并且較于830 nm的紅外燈具有更遠的投射距離，但同時此波長的紅外燈也特別容易在燈窗口處產(chǎn)生紅暴點，從而使任何人都能夠遠距離看到紅外燈的工作狀態(tài)”(至今還有人在文章中這樣說)是錯誤的。在錯誤的結(jié)論下討論紅暴問題自然也就不恰當了，因為700～780nm的光，本來就是看得見的紅光。

　　隨著安防行業(yè)的發(fā)展，24小時不間斷地監(jiān)控對夜視要求越來越高，紅外技術(shù)經(jīng)歷了不同時期的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于監(jiān)控夜視領(lǐng)域，尤其要求夜間隱蔽性監(jiān)控。因為傳統(tǒng)式的照明燈光經(jīng)常會引起別人的注意，會提醒入侵者“裝有電視監(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。

　　目前，在安防監(jiān)控領(lǐng)域主要是利用紅外光源照明的主動紅外夜視系統(tǒng)。本文介紹紅外光源的種類、發(fā)展，新一代陣列式紅外光源的特點，與半導(dǎo)體激光紅外光源的區(qū)別與比較，以及它在安防視頻監(jiān)控中的應(yīng)用與發(fā)展前景。[nextpage]

　　紅外光源的種類及發(fā)展

　　紅外技術(shù)早在60年代初期由美國貝爾實驗室研發(fā)成功，到目前為止，廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控行業(yè)，紅外技術(shù)的運用有兩種方式：第一種是被動紅外夜視技術(shù)。它是借助于目標自身發(fā)射的紅外輻射來實現(xiàn)觀察的紅外技術(shù)，它根據(jù)目標與背景或目標各部分之間的溫差或熱輻射差來發(fā)現(xiàn)目標，其對應(yīng)裝備為紅外熱感應(yīng)成像儀。熱成像儀具有不同于其它夜視儀的獨特優(yōu)點，如可在霧、雨、雪的天氣下工作，作用距離遠，能識別偽裝和抗干擾等，已成國外夜視裝備的發(fā)展重點，并將在一定程度上取代微光夜視儀。但畫面僅為物體的輪廓，無法做為呈堂的證據(jù)，而且它的價格極為昂貴，一旦價格下降，也將會用于監(jiān)控系統(tǒng)。

　　第二種是主動紅外夜視技術(shù)。它是通過主動照射并利用目標反射紅外源的紅外光來實施觀察的夜視技術(shù)，其對應(yīng)裝備為主動紅外夜視儀，是目前監(jiān)控行業(yè)里普遍運用的一項技術(shù)。紅外線監(jiān)控系統(tǒng)通過主動發(fā)出紅外波長的紅外燈光照亮物體，顯然紅外光的亮度決定了看清的程度。一般，產(chǎn)生這種不可見光的紅外光源的方法有下列三種：

　　(1)直接使用白熾燈或氙燈發(fā)出的紅外光，即在這兩種燈上安裝可見光濾鏡，即濾去可見光，只讓看不見的紅外射線射出;

　　(2)使用紅外發(fā)光二極管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;

　　(3)使用紅外激光二極管LD作紅外光源。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。

　　第一種紅外燈在安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域使用的時間最長、技術(shù)也最為成熟，直到現(xiàn)在以這種工作方式的產(chǎn)品也還有人在工程中運用。特別在一些室外環(huán)境中需要照射遠距離的環(huán)境中，這種紅外夜視系統(tǒng)能夠充分達到實際使用要求。目前效果比較好的鹵素?zé)羯a(chǎn)廠商的產(chǎn)品可以達到300米左右。

　　相對于其它類型紅外燈來講，這種熱光源的工作壽命(燈泡壽命)較短，一般通過光控開關(guān)使鹵素紅外燈在環(huán)境照度低于一定照度值時自動接通鹵素紅外燈工作電源，當整體環(huán)境照度高于一定照度值時自動斷開鹵素紅外燈工作電源，從而使鹵素紅外燈能在白天或夜間自動切換。實際上，這種光控開關(guān)裝置的程序設(shè)置中還設(shè)有一段等待時間值，以保證讓燈泡慢慢變熱，防止突然變熱對燈泡產(chǎn)生的損害，這對于燈泡壽命提升非常有用。這種預(yù)熱時間的保證，使之不會自動切斷鹵素?zé)艄ぷ麟娫?，防止鹵素?zé)艄ぷ魇艿剿查g的干擾(如汽車大燈瞬間照射等)影響。但由于這種熱光源的體積大、效率低，發(fā)熱量巨大，使用壽命短，消耗品價格高，抗沖擊的能力差，有強烈的熱輻射等問題，已經(jīng)被第二種紅外燈技術(shù)以體積小、壽命長、價格低等優(yōu)勢而基本淘汰了。

　　第二種紅外燈是目前安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域常用的，從這種紅外光源的發(fā)展史來看，可分為下列幾代發(fā)展歷程。

　　第一代：傳統(tǒng)LED最早期的單個的紅外LED轉(zhuǎn)換效率很低(只有5%)，多用在紅外遙控器等簡單產(chǎn)品上。經(jīng)過在夜視應(yīng)用中的反復(fù)實踐和發(fā)展，通過把單個的紅外LED封裝組合起來，固定于鏡頭的周圍，給監(jiān)控攝像機取像進行主動補光。這種傳統(tǒng)的小功率LED燈是最先用于紅外攝像機并現(xiàn)在仍在大量使用的一種紅外光光源，它們是第一代LED。其主要優(yōu)勢是價格低，因而應(yīng)用廣泛，占有了紅外機市場95%的份額。但品質(zhì)參差不齊，所以價格差異也大。其主要缺點是：①壽命短。因傳統(tǒng)LED散熱處理不良，造成周圍溫度太高而影響附近電子元器件的壽命(如攝像機板，控制電路板等易壞，使壽命縮短);②光衰減太快。因傳統(tǒng)LED用“環(huán)氧樹脂”作為透鏡的材料，但“環(huán)氧樹脂”遇熱后會產(chǎn)生斷裂，隨著時間長了，斷裂面就愈來愈多。紅外光線通過每個斷裂面時，有部分光穿過了，也有部分光折射回來了。通過的斷裂面愈多則折射回的光就愈多，出去的光就愈少，因而傳統(tǒng)LED光衰減特快、這也是壽命縮短的主要原因。若采用其它不斷裂材料(如硅膠)取代環(huán)氧樹脂，則其生產(chǎn)成本又將上升(超過現(xiàn)在的數(shù)十倍以上)，從而又失去了市場競爭力。③功率小等。

　　第二代：小功率陣列式LED點陣式的L E D稱第二代陣列式LED，它集成了多顆小功率LED在一個小范圍內(nèi)，并作了“熱電分離”處理，使整個零件能置于任意大小、任意形狀的散熱體上，從而解決了散熱問題，不再會由于高溫而傷害了周圍其它電子元器件。并且，使用了不斷裂的封裝材料而極大地減少了光衰減，使壽命較傳統(tǒng)LED增長了5～10倍。因而有體積小，散熱處理好，壽命長的優(yōu)點。其主要缺點是：①小功率陣列式LED的價格較傳統(tǒng)LED高出甚多;②亮度比相同功率的傳統(tǒng)LED的低。因為它為了配合攝像機鏡頭的角度而使用透鏡來縮小送光角度時，無可避免地有許多發(fā)光點偏離了透鏡的中央而造成送光效率不佳，因而“不夠亮”。

　　第三代：大功率陣列式LED第三代陣列式紅外LED采用了革新的半導(dǎo)體技術(shù)，將高性能發(fā)光晶體陣列式排列，經(jīng)過特殊封裝，形成大功率發(fā)光二極管陣列(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，當時光學(xué)輸出達到了800mw～1000mw。而目前，新一代的單個LED Array的光學(xué)輸出己最高作到4000mW。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光源因偏心而不夠亮的缺點。這種大功率陣列式LED的價格接近或低于傳統(tǒng)LED，是集第一代、第二代優(yōu)點于一身，并完全避免了缺點的最新一代紅外LED光源。[nextpage]

　　第三種激光紅外光源的光束細而強，要照亮一定范圍的場景，需要通過擴束鏡頭擴束。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)光強度和方向性，其電光轉(zhuǎn)換效率最高可達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。

　　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)式，到異質(zhì)結(jié)式、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等，發(fā)光功率由小到大，種類齊全，應(yīng)有盡有，可供安防需要選擇。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，壽命能夠較好地得到保證。紅外激光光源與配有長焦距鏡頭的攝像機組合，可以較好地實現(xiàn)夜間遠距離監(jiān)控。特別適合應(yīng)用于國家邊防、海防、森林防火、交通工程等大型項目。但由于工藝比較復(fù)雜、產(chǎn)量比較低，其價格比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。

　　第三代紅外光源的特點

　　與前述的第一、二代紅外LED相比，其主要特點是：

　　體積小

　　由于LED-Array為高度集成的LED，60粒LED發(fā)光晶體集成后的體積也只有指甲蓋大小。單個LED的光學(xué)輸出為5mw～15mw，而一個LEDArray的光學(xué)輸出至少可達到1000mw以上。由于LED-Array為高度集成的LED，故體積比其他產(chǎn)品小很多。顯然，體積小更便于應(yīng)用，同時也簡化了成本。

　　亮度高

　　它將幾十個高效率和高功率的晶元通過革新的半導(dǎo)體技術(shù)封裝在一個平面上，配置以良好的導(dǎo)熱裝置，使電光轉(zhuǎn)換率達25%以上，是傳統(tǒng)單顆LED燈的100倍。顯然，亮度越高，光線的照射距離就越遠，因而亮度的高低決定了光線的照射距離。由于LEDArray的亮度高，這就為中遠距離紅外攝像機的應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。

　　壽命長

　　普通LED產(chǎn)品的壽命一般為6000個小時，而LED-Array的壽命為50000個小時。因此，其使用壽命是普通LED燈的9倍。普通的LED紅外攝像機是將LED發(fā)光管和攝像機置于一個腔體內(nèi)，LED管的熱量無法通過PCB板得到有效散發(fā)，溫度升高嚴重制約了CCD攝像機的使用壽命。通常在使用3個月后，便開始出現(xiàn)老化跡象：畫面模糊、發(fā)白、對比度缺乏等，直接影響攝像機的使用效果，甚至使攝像機報廢。而LED-Array燈的特殊封裝使散熱性能好，在2～3年內(nèi)光線都無明顯衰減，因而使用壽命長。