安防视频监控中的红外光源

随着安防行业的发展，24小时不间断的监控对夜视要求越来越高，尤其要求夜间隐蔽性监控。因为传统式的照明灯光经常会引起别人的注意，会提醒入侵者“装有视频监控系统”，或者会影响周围的住户。而安装红外光源则不存在这些问题，因为红外光是一种波长大于780nm的不可见光。一般，产生这种不可见光的红外光的方法有下列三种。
•热红外光源：直接使用白炽灯或值灯发出的红外光，即在这两种灯上安装可见光滤镜滤去可见光，只让看不见的红外射线射出。
•红外发光二极管LED光源：即用红外LED或LED阵列来产生红外光，这种器件是通过半导体中的电子与空穴复合来产生红外光的。
•半导体红外激光光源：即使用红外激光二极管LD，它把处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，通过大量粒子分布反转，共振而维持受激辐射。
前两种方法都能生成或窄或宽的光束。在使用对红外线较为敏感的摄像机，如CCD或CMOS摄像机、低照度增强型摄像机观察场景时，可以获得质量相当高的图像。第三种光源的光束细而强，要照亮一定范围的场景，需要通过扩束镜头扩束，目前多用于1km以上距离的监控场景的夜视照明。

1. 一、热红外光源

通常，物体在温度较低时产生的热辐射全部是红外光，所以人眼不能直接观察到。在热辐射光源中通过加热灯丝来维持它的温度，供辐射继续不断地进行。辐射体在不同加热温度时，辐射的峰值波长是不同的，其光谱能量分布也是不同的。根据以上原理，经特殊设计和工艺制成的红外灯泡，其红外光成分最高可达92%~95%。
红外灯泡最大的优点是可制成比较大的功率和大的辐照角度，因此照射的距离远。其最大不足之处是包含可见光成分，即有红暴，且使用寿命短，如果每天工作10h，5000h只能使用一年多，若散热不佳，寿命还要短。为提高热辐射红外灯的寿命，采用了光控开关电路，以减小其工作时间。此外，还增加了延时开关电路以防环境光干扰。
一般，徹灯和白炽灯可以照亮距离摄像机100多米外的场景，因此，在其前端配一个只让红外线通过的滤镜，完全可以为隐蔽式视频监控系统提供足够的红外射线。由于这种热红外光源要消耗大量的能量，产生大量的热，所以这种光源需要配备特制的散热器或冷却设备，才可以使其能够持续工作。热红外光源照明系统，通过配用不同的前镜头，可以发出用于覆盖较大范围场景的宽光束或用于观察远处目标的聚光光束等不同形状的光束，以适应现场的具体需要。表1列举了常用红外灯的类型，以及它们的水平和垂直光束角。

注：（1）发光二极管发出的是850nm以上的红外光；（2）卤钨灯和氙弧灯使用的滤镜是可见光阻隔滤镜。

2. 二、红外发光二极管（LED）光源

LED是发光二极管（Light Emitting Diode）的简称，是一种注入式电致发光器件，它实际是将PN结管芯烧结在金属或陶瓷底座有引线的架子上，然后在四周用起到保护内部芯线作用的环氧树脂密封。其发光原理是：在LED的PN结上加正向电压时，使电子和空穴载流子在结区相遇复合（结区变窄），其实质是电子从高能级的导带释放能量回到价带与空穴复合，这种把多余的能量以光子的形式释放出来，就把电能直接转换成了光能，即发光。根据半导体物理中的公式
A=1240/£g（nm）
式中，篮为某半导体材料导带与价带之间的禁带宽度，其单位为电子伏特；人为波长。
当采用碑化镣半导体（当然也还有其他材料的半导体）时，其禁带宽度峋决定它只能发出近红外光。碑化镣LED的电源线共有两根，在加正向电压通电后，即会发出近红外光，光线经过前端球形镜头的放大后就会射到场景中去。LED的最大辐射强度一般在光轴的正前方，并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。辐射强度为最大值的50%的角度称为半强度辐射角，不同封装工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同。神化铉发光二极管的光转换效率也相当高，一般可以将50%的电能转换成红外光辐射能量。这种灯在略高于室温的温度下工作时，几乎不发热，因此也就不需要特别的冷却装置。
要想照亮一定距离的场景，常常需要几十、几百个LED构成的平面式阵列，因此，可根据场景的情况，尤其距离的远近来配备LED的多少。各个发光二极管的红外光输出合并起来，就可以产生足够多的光线，使其足以照亮被监视的现场，从而使得CCD摄像机可以产生高质量的黑白视频图像。此外，还可将红外发光二极管装在镜头上，与黑白CCD摄像机配用，或直接装在摄像机与镜头接口周围的机壳上。显然，这两种装配的红外LED少，其照射的距离肯定不如单独的红外LED阵列灯照射的远。
这种发光器件和白炽灯泡相比，有体积小、耐冲力、寿命长、功耗低、响应快、可靠性高、颜色鲜明、易和集成电路匹配等特点，因而获得了广泛的应用。
目前，红外LED光源已由第一代传统的LED、第二代小功率阵列式LED，发展到第三代大功率阵列式LED（即LED Array）。它首先由美国Pacific Cybervision公司开发生产，其每颗LED Array可集成60粒LED发光晶体，一开始时光学输出就达到了800-1000mW，而目前，新一代的单个LED Array的光学输出就己能做到4000mW以上，发光半功率角为10-120°（可变角）。它既有第二代红外LED灯的体积小、散热处理好、寿命长的优势，又解决了第二代红外LED阵列式光源因偏心而不够亮的缺点。这种大功率阵列式LED的价格接近或低于传统LED，是集第一代、第二代优点于一身，并完全避免了缺点的最新一代红外LED光源，目前己成为高质量夜间监控的一种理想选择。
三、半导体红外激光光源
半导体激光器是一种新型的发光器件，和上述光源相比，它具有方向性强、单色性好、相干性好、亮度高等突出优点。根据产生激光所必须满足的要求，它一般由激发装置（泵源）、工作物质及共振腔3部分组成。半导体激光器工作物质种类很多，其中GaAs是第一种有红外激光作用的半导体材料。其他Ⅲ-Ⅴ族化合物激光器的性质与GaAs相似，Ⅳ-Ⅵ族化合物如PbSePbTe、PbS等也都有激光作用。适当选择这些材料，可得到不同频率的激光。
随着光电信息技术的发展，半导体激光器发展很快，由最初的同质PN结与异质结式发展到分布反馈式、量子阱式、垂直腔表面发射式、微腔式，以及光纤激光器与光子晶体激光器等，发光功率由小到大，种类齐全，应有尽有，完全可供安防需要选择。
由于激光红外光源的光束细而强，要照亮一定范围的场景，需要通过扩束镜头扩束。这种光源应用的最大优势在于激光具有很高的发光效率、发光强度和方向性，其电光转换效率最高可达80%，从而可大大降低能耗，增加照明距离，目前多用于1km以上距离的监控场景的夜视照明。一般，半导体红外激光器采用金属封装和专用电源，并通过先进的半导体温控技术使得产品始终在设定的合理温度下工作，寿命能够得到较好的保证。红外激光光源与配有长焦距镜头的摄像机组合，可以较好地实现夜间远距离监控。特别适合应用于边防、海防、森林防火、交通工程等大型项目。但由于工艺比较复杂、产量比较低，其价格比LED光源高：且激光灯功率过大对人身体健康有一定的副作用，因而需选择在安全值。
四、三种红外光源的比较与选择
三种红外光源各有其优劣。开始使用红外光源时，由于红外LED的功率小、价格也较贵，因而多使用热红外光源。随着光电信息技术的发展，红外LED的功率增大、价格下降，因此使用红外LED的越来越多。尤其现在可使用第三代LED-Array，它是高度集成的LED，其体积小、亮度高、寿命长、发光角度可调宽，是高质量夜间监控的一种理想选择。显然，红外LED及LED-Array淘汰了热红外光源，因为用LED-Array完全可照射到几百米监控场景的距离。但对于1km以上的超远距离场景的监控，还是要选择红外LED光源。
第三代红外LED光源填补了第一代传统LED、第二代阵列式光衰快、使用寿命短、电光转换效能低、亮度不足、散热性能不良、功耗大等缺点，是全球红外夜视技术领域的新的突破。这种新一代的红外光源在产品性能与应用等方面与激光红外相比，也有明显的优势。它以先进的集成与独特的封装技术，类似单颗灯形式完全取代第二代多颗灯模式，不仅电光转化效率高，而且降低了功耗。又由于散热性能良好，使用寿命是激光红外与传统红外灯的4~5倍，因而已广泛应用于安防视频监控市场。

1. 第三代红外LED光源与半导体红外激光光源的比较。如表2所示。

 
由表2可看出，这两种红外光源各有其优劣。第三代红外LED光源是高度集成的LED，具有体积小、亮度高、寿命长、发光角度可调宽等优点，但目前仅适用于中、短距离场景的监控，对于1km以上的超远距离场景的监控，还是要选择红外LD光源。
（2）红外光源的选择。值得指出的是，红外光源的选择最重要的问题是成套性，即红外灯与摄像机、镜头、防护罩、供电电源等的成套性。在设计方案时，应对所有器材综合考虑，即把它作为一个红外低照度夜视监控系统工程来考虑设计。除配套性外，选择时还要考虑以下因素。
•选择红外灯时，在选择红外灯辐照距离时一定要留有余地，因环境变化会缩短；
•使用红外灯应选用黑白摄像机或日夜两用摄像机，且摄像机的照度要低（一般小于0.02Lux），要有自动电子快门功能与AGC自动增益控制功能；
•所选用的镜头最好是红外镜头，还要有自动光圈，以适应昼夜照度很大的变化；
•要注意所选的红外光源的发热与散热问题，并要注意选择红外灯的供电与灯板分开的红外光源；
•所选的红外光源必须要有光控开关，因为红外灯只有在夜间才打开。