LED紅外光源在紅外攝像機中的應用

隨著安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)工程中對夜視監(jiān)控的需求越來越廣，紅外攝像機已經(jīng)進入了攝像機的主流市場，銷量與日俱增，在紅外夜視技術(shù)應用上出現(xiàn)問題也逐漸暴露出來。本文就紅外攝像機的技術(shù)問題以及選用時的注意事項作簡單的探討，用以和業(yè)界人士分享交流。

我們都了解夜視技術(shù)在軍事上的應用有很長時間了，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前在民用視頻監(jiān)控中也獲得了廣泛應用。實際上，夜視技術(shù)是借助于光電成像器件實現(xiàn)夜間觀察的一種光電技術(shù)。它包括微光夜視和紅外夜視兩類：微光夜視技術(shù)是通過帶像增強管的一種夜視技術(shù)，它實際就是對夜天光照亮的微弱目標像進行增強，以供觀察的光電成像技術(shù)。

微光夜視儀，是目前國外生產(chǎn)量和裝備量最大和用途最廣的夜視器材，它又可分為直接觀察(如夜視觀察儀、武器瞄準具、夜間駕駛儀、夜視眼鏡)和間接觀察(如微光電視)兩種；而紅外夜視技術(shù)則分為主動紅外夜視技術(shù)和被動紅外夜視技術(shù)。被動紅外夜視技術(shù)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，其對應裝備為熱像儀。這里主要講主動紅外夜視技術(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一種夜視技術(shù)，其對應裝備為主動紅外夜視儀，實際核心就是紅外攝像機。

紅外光源、由非直視型光電成像器件CCD或CMOS圖像傳感器為核心組成的攝像機和成像畫面所需的鏡頭等配合選擇是主導紅外攝像機夜間監(jiān)視的效果優(yōu)劣的三大因素。為獲得好的夜間監(jiān)視質(zhì)量，本文將重點介紹在應用紅外攝像機時，對其紅外光源、攝像機及其鏡頭等的配套選擇上應注意的幾個要點，以供工程商等用戶選用參考。

　　一、紅外光源的選擇

紅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，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。這種器件是通過砷化鎵(GaAs)半導體中的電子與空穴復合來產(chǎn)生紅外光；

③。使用紅外激光二極管LD，也可作紅外光源。但它要把處于較低能態(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紅外光。

第一種光源為熱紅外光源，其最大的優(yōu)點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。其最大不足之處是包含可見光成份，即有紅暴，且使用壽命短，如果每天工作10小時，5000小時只能使用一年多，若考慮散熱不夠，壽命還要短。為提高熱輻射紅外燈的壽命，使用時還必須采用光控開關(guān)電路，以減小其工作時間。此外，還增加了延時開關(guān)電路以防環(huán)境光的干擾。

第二種是使用半導體砷化鎵發(fā)光二極管陣列組成的紅外燈，尤其現(xiàn)在使用新技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)的陣列式集成發(fā)光芯片LEDArray。其一個LED-Array的光學輸出達到了800mw-1000mw，而成為普通LED的換代產(chǎn)品，LED-Array的發(fā)光半功率角為10-120°(可變角)。

由于LED-Array為高度集成的LED，而體積只有一個一分錢硬幣的大小，在室內(nèi)可均勻照亮全部空間，其壽命為50，000個小時。它最初是運用在航空飛機上面，近年來由于民用夜間監(jiān)控市場的發(fā)展，LED-Array才逐步走向民用市場，成為高質(zhì)量夜間監(jiān)控的一種理想選擇。

雖然，紅外LED及LED-Array淘汰了熱紅外光源，但對于1km以上的超遠距離場景的監(jiān)控，還是要選擇紅外LD光源。因為半導體激光器具有比LED亮度高、方向性強等特點。

　　通常，在選擇紅外光源時要注意以下的幾個要點。

　　A、紅外燈距離選擇要留有余量

選擇紅外燈時，特別注意標稱距離與實際輻照距離的差距。因為有些生產(chǎn)廠標稱的可視距離往往偏大，所以在選擇紅外燈輻照距離時要進行實際測試，并且要留有充足的余量，才能使所觀察的場景的照度可靠。

　　B、應選用穩(wěn)流源驅(qū)動的光源

因為LED是電流驅(qū)動器件，其發(fā)光亮度與功率同驅(qū)動電流成正比，而不是電壓。因此，為保持發(fā)光強度不變，必須要選用穩(wěn)流源驅(qū)動的光源。

　　C、要選用散熱好的光源

因為發(fā)光管都有發(fā)熱與散熱問題，尤其功率大距離遠的光源發(fā)熱量大，所以必須要選用散熱好的光源，才能保證工作穩(wěn)定可靠。

　　D、要選用有光控開關(guān)自動控制電路的供電電路并與燈板分開的紅外光源

因為紅外燈的供電電路與燈板不分開，就會應發(fā)光管工作產(chǎn)生的熱量影響供電電路的元件性能，從而導致發(fā)光管發(fā)光不穩(wěn)定，有了這種光控開關(guān)的電路，就能使紅外燈白天關(guān)閉，夜晚打開。

　　E、要根據(jù)監(jiān)視距離選用紅外燈

因紅外發(fā)光二極管LED可裝在鏡頭上，與感紅外攝像機配用，或直接裝在攝像機與鏡頭接口周圍的機殼上。顯然，這兩種裝配的紅外LED少，其照射的距離肯定不如單獨的紅外LED燈照射的遠。一般，50m以上，最好選用單獨的紅外燈為好，另LD多用于1km以上距離的監(jiān)控場景的夜視照明，但LD的光束細而強，為使紅外光束照亮一定范圍的場景，使用時還需要通過一個擴束鏡頭擴束才行。

　　二、攝像機的選擇

目前攝像機的感光器件有CMOS與CCD兩種。同CCD一樣，CMOS圖像傳感芯片對紅外光波也有反應，但它在890-980nm范圍內(nèi)靈敏度比CCD圖像傳感芯片要高出許多，并隨波長增加而衰減的梯度也慢一些。隨著CMOS圖像芯片的飛速發(fā)展，其噪音訊號進一步降低，且星光級的CMOS攝像機也已有面市。因此，不一定局限在CCD攝像機中選擇，可充分利用各自的優(yōu)勢選取。一般，紅外攝像機的選擇要點如下。

　　A、應選低照度攝像機，其照度要求一般≤0.02Lux

有些攝像機制造商或銷售商虛報最低照度，使夜視有效距離大大降低，因此最好能具體測試。

月光級和星光級等增感度攝像機可工作在很暗的條件下，但有些反光系數(shù)小的地方還是達不到要求，如沙漠，綠地，林區(qū)等。在這種情況下，就需要采用由高性能像增強器和CCIR制式的黑白CCD通過纖維面板和光錐直接耦合而成的微光夜視攝像機?？傊?，照度越低越好，由于目前還不規(guī)范，不能相信生產(chǎn)廠所標稱的最低照度，要在實用條件下進行測試為好，通常照度要求一般≤0.02Lux。

　　B、選用的紅外攝像機圖像傳感器的尺寸越大越好

因1/4CCD不能用于15m以上紅外夜視的有效距離，因為1/4CCD的光通量只有1/3CCD的50%。而CCD尺寸大，接受的光通量大；CCD尺寸小，接受的光通量就少。所以，夜視攝像機多選1/2的CCD，1/3的要測試可行的也可，但絕對不能選1/4的。

　　C、紅外攝像機要有自動電子快門與自動增益控制(AGC)功能

因為有了這些功能，才能使信號調(diào)整到比較好的狀態(tài)，以滿足觀察的效果。

　　D、需隱蔽場合選CMOS超微型攝像機

由于低功耗、高集成、小體積只有CMOS圖像傳感器才能辦到，因而可作成襯衫鈕扣、西裝鈕扣般大小的CMOS攝像機。加上相應的紅外光源的更加小型化，以及高效能電池的推出，使第三只眼睛將會無處不在。這樣，帶上一副夜視眼鏡和一頂配有紅外光源和CMOS超微型攝像機的帽子，黑夜將如同白晝。顯然，這將改變我們整個社會生活的面貌。

　　E、選配好攝像機的配套穩(wěn)壓小電源

　　攝像機的電源的選取要注意如下兩點

·選穩(wěn)壓電源。因市電AC220V不穩(wěn)，如只選一交流變直流12V的變壓器而不穩(wěn)壓就會使攝像機中的電路工作不穩(wěn)定，從而使攝像機的工作不穩(wěn)，所需性能就達不到要求；

·選比攝像機的電流要大近一倍以上的小電源為好。如攝像機的電流為200mA或250mA，一般選500mA即足夠。若選太大如1A供1臺攝像機就體積偏大與價錢偏貴；太小如等于攝像機的電流就可能發(fā)熱(因連續(xù)工作時間太長)而影響可靠性與工作壽命等。

　　三、鏡頭等的選擇

攝像機鏡頭是紅外攝像機的關(guān)鍵設備，它的質(zhì)量(指標)優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的成像效果，因此，鏡頭選擇是否恰當即關(guān)系到系統(tǒng)質(zhì)量，又關(guān)系到工程造價。因此，在選擇鏡頭時要注意以下幾個要點：

　　A、最好選紅外鏡頭

因普通的光學鏡頭，物體反射回鏡頭的紅外光不能有效聚焦到CCD靶面上，此時紅外夜視效果就會大打折扣，因而最好選用紅外鏡頭。尤其是彩轉(zhuǎn)黑攝像機，不選用紅外鏡頭就不能使日夜監(jiān)視焦面一致，致使日夜圖像不能都保持清晰。

　　B、選用鏡頭的成像尺寸最好與攝像機中圖像傳感器的尺寸一致

選用的鏡頭的成像尺寸應與攝像機中圖像傳感器的尺寸一致，如圖像傳感器的尺寸是1/2“，則鏡頭的成像尺寸必須是1/2“的。

當鏡頭的成像尺寸比攝像機感光面的尺寸大時，不會影響成像，但實際成像的視場角要比該鏡頭的標稱視場角小，而當鏡頭的成像尺寸比攝像機的感光面的尺寸小時，就會影響成像，并表現(xiàn)為成像的畫面四周被鏡筒遮擋，在畫面的四個角上就會出現(xiàn)黑角。

由此可知，對1/3“的攝像機，可選用1/3“、1/2“和2/3“的鏡頭；對1/2“的攝像機，可選用1/2“、2/3“的鏡頭，而不能用1/3的鏡頭。因為CCD就像人的眼睛，鏡頭就像人們用的眼鏡，眼鏡太小，眼睛就會看不清周邊的事物。

　　C、最好選鏡頭與攝像機的接口安裝方式一致

鏡頭與攝像機的接口安裝方式有C型安裝和CS型安裝兩種，兩者最好一致。如果選用了C型鏡頭，則需加一5mm厚的接圈即可。若不加接圈就直接接到CS接口攝像機上，則可能使鏡頭的后鏡面碰到CCD的敏感面的保護玻璃，而造成CCD攝像機的損壞，這一點在實用中需特別引起注意。

　　D、最好選自動光圈鏡頭，以適應晝夜照度很大的變化

由于日夜監(jiān)控，其照度變化范圍很大，因而最好選用能自動根據(jù)照度變化的自動光圈鏡頭，以使圖像保持清晰。

　　E、鏡頭的分辨率與透光率要達到要求

用的成像鏡頭的分辨率必須要大于攝像機的分辨率，否則達不到所要求的清晰效果。并且鏡頭中鏡片的透光率要好，即對光的衰減要非常小。

　　F、監(jiān)視距離1公里以上，還需選用激光擴束準直鏡頭

要根據(jù)欲觀察場景的大小與距離選擇合適的激光擴束準直鏡頭，使激光束能照亮所需監(jiān)控的場景，以便監(jiān)控場景的反射光能被攝像機所接收。

　　G、注意選擇有性能好的視窗玻璃的防護罩

除選紅外燈、攝像機、鏡頭外，還要注意防護罩、供電電源等的成套綜合考慮。因為防護罩對紅外燈的效果就有影響，如紅外光通過不同介質(zhì)，透射率和反射率就不同。例如，不同的視窗玻璃，特別是自動除霜鍍膜玻璃，對紅外光的衰減也不同，所以要注意選擇具有性能好的視窗玻璃的防護罩。

　　結(jié)語

由上可知，三種紅外光源各有其優(yōu)劣，但熱紅外光源基本被紅外LED及LED-Array光源所淘汰。因為用LED-Array也完全可照射到幾百米監(jiān)控場景的距離。至于1km以上的超遠距離的監(jiān)控場景，還是應選用紅外LD光源為好。因為它的亮度高，一個LD頂好多LED，所以紅外LD光源的體積小、重量輕，是超遠距離的最佳選擇。

紅外攝像機的選擇最重要的問題是成套性。除選好紅外光源外，對攝像機、鏡頭、防護罩、供電電源等的配套要綜合考慮。只有按文中所述的選擇要點綜合考慮了，才能取到事半功倍的效果。