新一代陣列式紅外光源及其在安防監(jiān)控中的應用

引 言

　　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，從抽象的藝術表現(xiàn)到有效的科學應用，光(光學)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，紅外技術經(jīng)歷了不同時期的發(fā)展，已廣泛應用于監(jiān)控夜視領域，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)控中的應用與發(fā)展前景。

紅外光源的種類及發(fā)展

　　紅外技術早在60年代初期由美國貝爾實驗室研發(fā)成功，到目前為止，廣泛應用于安防監(jiān)控行業(yè)，紅外技術的運用有兩種方式：第一種是被動紅外夜視技術。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，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，其對應裝備為紅外熱感應成像儀。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。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，其對應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。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陣列來產生紅外光。這種器件是通過半導體中的電子與空穴復合來產生紅外光的;

　　(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，共振而維持受激輻射。

　　第一種紅外燈在安防視頻監(jiān)控領域使用的時間最長、技術也最為成熟，直到現(xiàn)在以這種工作方式的產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燈生產廠商的產品可以達到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，這種光控開關裝置的程序設置中還設有一段等待時間值，以保證讓燈泡慢慢變熱，防止突然變熱對燈泡產生的損害，這對于燈泡壽命提升非常有用。這種預熱時間的保證，使之不會自動切斷鹵素燈工作電源，防止鹵素燈工作受到瞬間的干擾(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轉換效率很低(只有5%)，多用在紅外遙控器等簡單產品上。經(jīng)過在夜視應用中的反復實踐和發(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，因而應用廣泛，占有了紅外機市場95%的份額。但品質參差不齊，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，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采用了革新的半導體技術，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，其每顆LED Array可集成60粒LED發(fā)光晶體，當時光學輸出達到了800mw～1000mw。而目前，新一代的單個LED Array的光學輸出己最高作到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。

　　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。

　　隨著光電信息技術的發(fā)展，半導體激光器發(fā)展很快，由最初的同質PN結式，到異質結式、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，應有盡有，可供安防需要選擇。一般，半導體紅外激光器采用金屬封裝和專用電源，并通過先進的半導體溫控技術使得產品始終在設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。但由于工藝比較復雜、產量比較低，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的光學輸出為5mw～15mw，而一個LEDArray的光學輸出至少可達到1000mw以上。由于LED-Array為高度集成的LED，故體積比其他產品小很多。顯然，體積小更便于應用，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體技術封裝在一個平面上，配置以良好的導熱裝置，使電光轉換率達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用打下了良好基礎。

　　壽命長

　　普通LED產品的壽命一般為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，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年內光線都無明顯衰減，因而使用壽命長。

　　效率高

　　由于LED-Array的最大優(yōu)勢在于解決了LED光源散熱的問題，因而具有極高的發(fā)光效率和發(fā)光強度，其光電轉換效率比普通紅外LED攝像機提高了25%左右，效率可達到45%，大大地降低了能耗、增加了照明距離。因為發(fā)光效率與散熱性能是一個良性循環(huán)。散熱性能越好，工作溫度就越低，工作溫度低又能更好的保障其發(fā)光效率。反之，則陷入效率不斷衰減的惡性循環(huán)。而LED-Array經(jīng)過特殊封裝，有效解決了散熱問題，使發(fā)光體時刻處于正常工作溫度，在相當長的時間內可得到穩(wěn)定的功率輸出。此外，還可采用高頻尖脈沖供電，以保證獲得更高的效率。

　　光線勻

　　因每個普通的紅外LED前面都有一個球面，用來改變光斑的大小，是一個獨立的光學設計。當多個紅外LED組合在攝像機鏡頭的周圍后，發(fā)射出來的光線就是多個光斑重疊組成，重疊的部分就會亮度特別高，同時還形成一個圓圈，即“手電筒效應”，使夜視畫面效果不均勻。而LED-Array相當于是一個大的點光源，發(fā)光體半功率為10度～120度(可變角)的發(fā)光面，且通過特殊的光學設計，在光路結構上使用非球面光學玻璃透鏡，使投射光斑非常均勻地照射被監(jiān)控物體，因而所得到的監(jiān)控畫面的中間和四周的亮度是一致的，大大提高了監(jiān)控夜視畫面的清晰度。

第三代紅外光源與紅外激光光源的區(qū)別與比較

　　第三代紅外光源填補了第一代傳統(tǒng)LED、第二代陣列式光衰快，使用壽命短，電光轉換效能低，亮度不足，散熱性能不良，功耗大等缺點，是全球紅外夜視技術領域的新的突破。這種新一代的紅外光源在產品性能與應用等方面與激光紅外相比，也有明顯的優(yōu)勢。它以先進的集成與獨特的封裝技術，類似單顆燈形式完全取代第2代多顆燈模式，不僅電光轉化效率高，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，因而必將廣泛應用于安防視頻監(jiān)控市場。下面從以下幾個方面看第三代紅外光源與激光紅外光源的區(qū)別與比較。

　　(1)從發(fā)光原理上看：第三代紅外LED光源是由于電子從高能帶(導帶)到低能帶(價帶)與空穴復合釋放能量而發(fā)光;而半導體紅外激光光源是通過泵源將較低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上，使粒子分布反轉受激輻射，并通過共振腔提供正反饋及增益維持受激輻射的持續(xù)振蕩。因此，激光器一般由激發(fā)裝置(泵源)、工作物質及共振腔3部分組成，顯然其結構比LED要復雜一些。

(2 ) 從輸入功率上看：第三代紅外LED光源的輸入功率可以從幾瓦到幾十瓦;而半導體紅外激光光源在安防上一般用幾瓦，最高只能到20瓦。

　　( 3 )從光束角度上看：第三代紅外LED光源的發(fā)光體半功率角是10度～120度(可變角)的發(fā)光面，即光束角最大可達120度;而半導體紅外激光光源發(fā)出的光束細而亮，其光束角小，需加裝擴束透鏡擴束才行。

　　(4)從照射距離上看：第三代紅外LED光源的照射距離根據(jù)功率的大小一般為幾十米～幾百米;而半導體紅外激光光源的照射距離則一般可到1km以上。

　　( 5 )從散熱性能上看：第三代紅外LED光源經(jīng)特殊封裝散熱處理較好，因而可用于各種類型攝像機，如可用于球機;而半導體紅外激光光源因結構其散熱處理上不適用于球機，所以有局限性。

　　(6)從壽命上看：第三代紅外LED光源采用獨創(chuàng)的長晶技術，特殊設計有效解決光衰問題，其使用壽命是傳統(tǒng)紅外LED與激光紅外的5～10倍，5年內光衰小于等于10%，而明顯優(yōu)于半導體紅外激光光源。

　　(7)從體積上看：第三代紅外LED光源為高度集成的LED，60粒LED發(fā)光晶體集成后的體積也只有指甲蓋大小;而半導體紅外激光光源由于光束細要擴束，且擴束的角度越大，其體積就越大，因而體積比紅外LED-Array光源要大些。

　　(8)從成本上看：第三代紅外LED光源由于結構簡單，應用量巨大，所以可以大規(guī)模生產，從而能大大降低產品成本，因而價格較低;而半導體紅外激光光源由于結構較復雜，且市場需求量偏小，使生產量明顯偏低，因而產品成本較高。

　　(9)從應用上看：第三代紅外LED光源應用較廣，特別適用于公安系統(tǒng)、社會治安監(jiān)控、道路交通、銀行、機場、博物館、監(jiān)獄、學校、住宅小區(qū)、商場等大大小小民用與工程市場;而半導體紅外激光光源主要應用于國家邊防、海防、軍事基地、森林防火、防汛指揮、油田等遠距離夜間監(jiān)控。

　　此外，半導體紅外激光光源由于光束細而強，在功率大時易傷害人眼；并且由于要擴束，其光線的均勻性也比第三代紅外LED光源差些。第三代紅外LED光源與半導體紅外激光光源的比較如表1所示。

　　由表1可看出，這二種紅外光源各有其優(yōu)劣。LED-Array是高度集成的LED，其體積小、亮度高、壽命長、發(fā)光角度可調寬，是高質量夜間監(jiān)控的一種理想選擇。但目前僅適用于中、短距離場景的監(jiān)控，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。

第三代紅外光源在安防監(jiān)控中的應用

　　由前可知，新一代陣列式紅外光源LED-Array是高度集成的LED，其體積小、亮度高、壽命長、發(fā)光角度可調寬，是高質量夜間監(jiān)控的一種理想選擇。如國內某公司生產的三種新一代紅外光源如圖2所示。

　　圖2中，陣列式紅外半球型光源;室內吸頂半球，內置12V DC電源;紅外輸出功率為1.7W;獨立散熱結構，功耗為2W;紅外發(fā)射角90°;紅外波長850nm，可視面積可達90m2;陣列式紅外筒型光源;室內外通用，16顆大功率第三代光源芯片;12VDC/24VAC電源;獨立散熱結構;紅外發(fā)射角30°;紅外波長850nm，識別距離(可看清人的臉部)80m，可視距離可達150m;陣列式紅外板型光源;室內外通用，12VDC/24VAC電源;紅外輸出功率為8.4W;獨立散熱結構;紅外發(fā)射角30°;紅外波長850nm，識別距離100m，可視距離可達200m。

　　某公司生產的紅外攝像機(光源與攝像機裝在一起的)如圖3所示。

　　圖3中，有1/3 Sony攝像機，獨一無二的單點紅外光源，功率小，發(fā)熱少，亮度高;有15、30、45度發(fā)光角度搭配6mm～25mm鏡頭，一般在8mm以上基本無手電筒效應。某公司生產的紅外攝像機(光源與攝像機分別安裝的)如圖4所示。

　　圖4是紅外光源與攝像機分體設計，使高熱的紅外光源與攝像機機芯分居兩個腔體。這樣，光源導熱體與機芯腔壁完全分開，光源工作時的熱量只會從內部扇型導熱體導向遠離機芯一側的外壁散熱片，使之能迅速散去紅外光源工作時的熱量，以保證機芯工作在健康溫度。顯然，這種措施可保證機芯較低的工作溫度，從而使機芯故障率遠遠低于第一、二代紅外攝像機。圖4中二個紅外攝像機不是同一公司產品，右圖的紅外夜視一體機是筒形陣列紅外光源; 1/3 SONYHAD CCD;可選多種中、長廣角鏡頭; 120°/45°/30°/22°多種光學角度;是中、短矩離室內/外廣角日夜監(jiān)控首選;此外，新一代紅外光源適用性強，還可以安裝在球機與半球機中。總之，裝有新一代紅外光源的紅外攝像機完全改變了夜視面貌，它不僅看得比較遠，而且還可看得清。未來，加上智能化功能，即可確保夜晚的安全。

結束語

　　以上介紹了新一代紅外光源的特點，與紅外激光源的比較及其應用。這種新興光源的性價比大大優(yōu)于目前行業(yè)主流的產品，它必將在夜視監(jiān)控領域引起一場新的技術革命，并最大限度地滿足不同應用領域對夜視監(jiān)控的要求。隨著光電信息技術的快速發(fā)展，隨著安防夜視的要求越來越高，這種光源還將更進一步地更新，使之能完全滿足網(wǎng)絡化、集成化、高清化、智能化的要求。