LED紅外光源在紅外攝像機(jī)中的應(yīng)用

隨著安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)工程中對(duì)夜視監(jiān)控的需求越來越廣，紅外攝像機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了攝像機(jī)的主流市場(chǎng)，銷量與日俱增，在紅外夜視技術(shù)應(yīng)用上出現(xiàn)問題也逐漸暴露出來。本文就紅外攝像機(jī)的技術(shù)問題以及選用時(shí)的注意事項(xiàng)作簡(jiǎn)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(yīng)用有很長(zhǎng)時(shí)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(yīng)用。實(shí)際上，夜視技術(shù)是借助于光電成像器件實(shí)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(qiáng)管的一種夜視技術(shù)，它實(shí)際就是對(duì)夜天光照亮的微弱目標(biāo)像進(jìn)行增強(qiáng)，以供觀察的光電成像技術(shù)。

微光夜視儀，是目前國(guó)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(zhǔn)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(dòng)紅外夜視技術(shù)和被動(dòng)紅外夜視技術(shù)。被動(dòng)紅外夜視技術(shù)是借助于目標(biāo)自身發(fā)射的紅外輻射來實(shí)現(xiàn)觀察的紅外技術(shù)，它根據(jù)目標(biāo)與背景或目標(biāo)各部分之間的溫差或熱輻射差來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，其對(duì)應(yīng)裝備為熱像儀。這里主要講主動(dòng)紅外夜視技術(shù)，它是通過主動(dòng)照射并利用目標(biāo)反射紅外源的紅外光來實(shí)施觀察的一種夜視技術(shù)，其對(duì)應(yīng)裝備為主動(dòng)紅外夜視儀，實(shí)際核心就是紅外攝像機(jī)。

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(jī)和成像畫面所需的鏡頭等配合選擇是主導(dǎo)紅外攝像機(jī)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(diǎn)介紹在應(yīng)用紅外攝像機(jī)時(shí)，對(duì)其紅外光源、攝像機(jī)及其鏡頭等的配套選擇上應(yīng)注意的幾個(gè)要點(diǎn)，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(zhǎng)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(dǎo)體中的電子與空穴復(fù)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(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份，即有紅暴，且使用壽命短，如果每天工作10小時(shí)，5000小時(shí)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(shí)還必須采用光控開關(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)境光的干擾。

第二種是使用半導(dǎo)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(gè)LED-Array的光學(xué)輸出達(dá)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(gè)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(gè)小時(shí)。它最初是運(yùn)用在航空飛機(jī)上面，近年來由于民用夜間監(jiān)控市場(chǎng)的發(fā)展，LED-Array才逐步走向民用市場(chǎng)，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(duì)于1km以上的超遠(yuǎn)距離場(chǎng)景的監(jiān)控，還是要選擇紅外LD光源。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器具有比LED亮度高、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　通常，在選擇紅外光源時(shí)要注意以下的幾個(gè)要點(diǎn)。

　　A、紅外燈距離選擇要留有余量

選擇紅外燈時(shí)，特別注意標(biāo)稱距離與實(shí)際輻照距離的差距。因?yàn)橛行┥a(chǎn)廠標(biāo)稱的可視距離往往偏大，所以在選擇紅外燈輻照距離時(shí)要進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，并且要留有充足的余量，才能使所觀察的場(chǎng)景的照度可靠。

　　B、應(yīng)選用穩(wěn)流源驅(qū)動(dòng)的光源

因?yàn)長(zhǎng)ED是電流驅(qū)動(dòng)器件，其發(fā)光亮度與功率同驅(qū)動(dòng)電流成正比，而不是電壓。因此，為保持發(fā)光強(qiáng)度不變，必須要選用穩(wěn)流源驅(qū)動(dòng)的光源。

　　C、要選用散熱好的光源

因?yàn)榘l(fā)光管都有發(fā)熱與散熱問題，尤其功率大距離遠(yuǎn)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(dòng)控制電路的供電電路并與燈板分開的紅外光源

因?yàn)榧t外燈的供電電路與燈板不分開，就會(huì)應(yīng)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(dǎo)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(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燈照射的遠(yuǎn)。一般，50m以上，最好選用單獨(dú)的紅外燈為好，另LD多用于1km以上距離的監(jiān)控場(chǎng)景的夜視照明，但LD的光束細(xì)而強(qiáng)，為使紅外光束照亮一定范圍的場(chǎng)景，使用時(shí)還需要通過一個(gè)擴(kuò)束鏡頭擴(kuò)束才行。

　　二、攝像機(jī)的選擇

目前攝像機(jī)的感光器件有CMOS與CCD兩種。同CCD一樣，CMOS圖像傳感芯片對(duì)紅外光波也有反應(yīng)，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(zhǎng)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(hào)進(jìn)一步降低，且星光級(jí)的CMOS攝像機(jī)也已有面市。因此，不一定局限在CCD攝像機(jī)中選擇，可充分利用各自的優(yōu)勢(shì)選取。一般，紅外攝像機(jī)的選擇要點(diǎn)如下。

　　A、應(yīng)選低照度攝像機(jī)，其照度要求一般≤0.02Lux

有些攝像機(jī)制造商或銷售商虛報(bào)最低照度，使夜視有效距離大大降低，因此最好能具體測(cè)試。

月光級(jí)和星光級(jí)等增感度攝像機(jī)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(dá)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(qiáng)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(jī)?？傊斩仍降驮胶?，由于目前還不規(guī)范，不能相信生產(chǎn)廠所標(biāo)稱的最低照度，要在實(shí)用條件下進(jìn)行測(cè)試為好，通常照度要求一般≤0.02Lux。

　　B、選用的紅外攝像機(jī)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?yàn)?/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(jī)多選1/2的CCD，1/3的要測(cè)試可行的也可，但絕對(duì)不能選1/4的。

　　C、紅外攝像機(jī)要有自動(dòng)電子快門與自動(dòng)增益控制(AGC)功能

因?yàn)橛辛诉@些功能，才能使信號(hào)調(diào)整到比較好的狀態(tài)，以滿足觀察的效果。

　　D、需隱蔽場(chǎng)合選CMOS超微型攝像機(jī)

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(jī)。加上相應(yīng)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(huì)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(jī)的帽子，黑夜將如同白晝。顯然，這將改變我們整個(gè)社會(huì)生活的面貌。

　　E、選配好攝像機(jī)的配套穩(wěn)壓小電源

　　攝像機(jī)的電源的選取要注意如下兩點(diǎn)

·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(huì)使攝像機(jī)中的電路工作不穩(wěn)定，從而使攝像機(jī)的工作不穩(wěn)，所需性能就達(dá)不到要求；

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

　　三、鏡頭等的選擇

攝像機(jī)鏡頭是紅外攝像機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，它的質(zhì)量(指標(biāo))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(dāng)即關(guān)系到系統(tǒng)質(zhì)量，又關(guān)系到工程造價(jià)。因此，在選擇鏡頭時(shí)要注意以下幾個(gè)要點(diǎn)：

　　A、最好選紅外鏡頭

因普通的光學(xué)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(shí)紅外夜視效果就會(huì)大打折扣，因而最好選用紅外鏡頭。尤其是彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)，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(jī)中圖像傳感器的尺寸一致

選用的鏡頭的成像尺寸應(yīng)與攝像機(jī)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(dāng)鏡頭的成像尺寸比攝像機(jī)感光面的尺寸大時(shí)，不會(huì)影響成像，但實(shí)際成像的視場(chǎng)角要比該鏡頭的標(biāo)稱視場(chǎng)角小，而當(dāng)鏡頭的成像尺寸比攝像機(jī)的感光面的尺寸小時(shí)，就會(huì)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(gè)角上就會(huì)出現(xiàn)黑角。

由此可知，對(duì)1/3“的攝像機(jī)，可選用1/3“、1/2“和2/3“的鏡頭；對(duì)1/2“的攝像機(jī)，可選用1/2“、2/3“的鏡頭，而不能用1/3的鏡頭。因?yàn)镃CD就像人的眼睛，鏡頭就像人們用的眼鏡，眼鏡太小，眼睛就會(huì)看不清周邊的事物。

　　C、最好選鏡頭與攝像機(jī)的接口安裝方式一致

鏡頭與攝像機(jī)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(jī)上，則可能使鏡頭的后鏡面碰到CCD的敏感面的保護(hù)玻璃，而造成CCD攝像機(jī)的損壞，這一點(diǎn)在實(shí)用中需特別引起注意。

　　D、最好選自動(dòng)光圈鏡頭，以適應(yīng)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(dòng)根據(jù)照度變化的自動(dòng)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(dá)到要求

用的成像鏡頭的分辨率必須要大于攝像機(jī)的分辨率，否則達(dá)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(duì)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(kuò)束準(zhǔn)直鏡頭

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

　　G、注意選擇有性能好的視窗玻璃的防護(hù)罩

除選紅外燈、攝像機(jī)、鏡頭外，還要注意防護(hù)罩、供電電源等的成套綜合考慮。因?yàn)榉雷o(hù)罩對(duì)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(dòng)除霜鍍膜玻璃，對(duì)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(hù)罩。

　　結(jié)語(yǔ)

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?yàn)橛肔ED-Array也完全可照射到幾百米監(jiān)控場(chǎng)景的距離。至于1km以上的超遠(yuǎn)距離的監(jiān)控場(chǎng)景，還是應(yīng)選用紅外LD光源為好。因?yàn)樗牧炼雀?，一個(gè)LD頂好多LED，所以紅外LD光源的體積小、重量輕，是超遠(yuǎn)距離的最佳選擇。

紅外攝像機(jī)的選擇最重要的問題是成套性。除選好紅外光源外，對(duì)攝像機(jī)、鏡頭、防護(hù)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(diǎn)綜合考慮了，才能取到事半功倍的效果。