紅外燈的工作原理及其選擇
一、概述
在電視監(jiān)控系統(tǒng)工程中，過去很少應(yīng)用紅外燈，近年來,不但金庫(kù)、油庫(kù)、軍械庫(kù)、圖書文獻(xiàn)庫(kù)、文物部門、監(jiān)獄等重要部門采用，而且也在一般監(jiān)控系統(tǒng)中都被采用。甚至居民小區(qū)電視監(jiān)控工程也應(yīng)用了紅外燈。這說明人們對(duì)電視監(jiān)控系統(tǒng)工程的要求愈來愈規(guī)范、愈來愈高。不但要求白天和夜間可見光照明監(jiān)控，而且要求夜間隱蔽性監(jiān)控。
隨著電視監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)的發(fā)展，購(gòu)買紅外燈用戶的迅猛增加，也出現(xiàn)不少問題，例如：某用戶購(gòu)買了十幾個(gè)紅外燈，說一個(gè)都不亮，經(jīng)過詢問了解才知道，他采用的是普通彩色攝像機(jī)，而普通彩色攝像機(jī)是不感受紅外光的;有的用戶說你們的紅外燈達(dá)不到標(biāo)稱的照射距離，經(jīng)過了解，他們?nèi)狈t外燈對(duì)攝像機(jī)、鏡頭、防護(hù)罩和供電系統(tǒng)配套性要求的認(rèn)識(shí)，在電視監(jiān)控工程設(shè)計(jì)中沒有作為一個(gè)紅外低照度低照度假夜視系統(tǒng)工程來總體考慮;有的用戶對(duì)紅外燈自以為了解，自行增加DC12V紅外燈供電電壓，以此增加紅外燈的輻照功率，或采用不穩(wěn)壓直流電源給DC12V紅外燈供電造成紅外燈燒毀;有的用戶反映它們按紅外燈要求的照度選配了攝像機(jī)，在紅外燈標(biāo)稱的照射距離內(nèi)卻不能獲得清晰圖象，而不知有的攝像機(jī)生產(chǎn)廠家給出的最低照度有水分，或有意無意地使用了含糊的最低照度概念，以所謂的靶面照度代替景物照度;此外，有的用戶對(duì)攝像機(jī)照度之外影響獲得清晰圖像的因素，如攝像機(jī)和鏡頭的標(biāo)稱尺寸、鏡頭光圈F、焦距f、對(duì)攝像機(jī)功能要求等不十分了解。我們認(rèn)為現(xiàn)在向電視監(jiān)控器材經(jīng)銷商、工程商和用戶介紹一些紅外燈的原理、選擇和應(yīng)用方法是有益的。
實(shí)現(xiàn)夜視的方法，可以采用常規(guī)的可見光照明，但此法不僅不能隱蔽，反而更加暴露監(jiān)控目標(biāo)(在居民小區(qū)還有擾民問題)。隱蔽的夜視監(jiān)控，目前都是采用紅外攝像技術(shù)。紅外攝像技術(shù)分為被動(dòng)紅外攝像技術(shù)和主動(dòng)紅外攝像技術(shù)。被動(dòng)紅外攝像技術(shù)是利用任何物質(zhì)在絕對(duì)零度以上都有紅外光發(fā)射，人體和熱機(jī)發(fā)出的紅外光較強(qiáng)，其它物體發(fā)出的紅外光很微弱，利用特殊的紅外攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)夜間監(jiān)控。但是，這種特殊的紅外攝像機(jī)造價(jià)昂貴，而且不能反映周圍環(huán)境狀況，因此在夜視系統(tǒng)中不被采用。在夜視系統(tǒng)中經(jīng)常采用主動(dòng)紅外攝像技術(shù)，即采用紅外輻射“照明”，產(chǎn)生人眼看不見而普通攝像機(jī)能捕捉到的紅外光，輻射“照明”景物和環(huán)境，應(yīng)用普通低照度黑白攝像機(jī)、白天彩色夜間自動(dòng)變黑白攝像機(jī)或紅外低照度彩色攝像機(jī)，感受周圍環(huán)境反射回來的紅外光實(shí)現(xiàn)夜視。
二、紅外燈的原理及其特性
光是一種電磁波，它的波長(zhǎng)區(qū)間從幾個(gè)納米(1nm=10-9m)到1毫米(mm)左右。人眼可見的只是其中一部分，我們稱其為可見光，可見光的波長(zhǎng)范圍為 380nm～780nm，可見光波長(zhǎng)由長(zhǎng)到短分為紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫光，波長(zhǎng)比紫光短的稱為紫外光，波長(zhǎng)比紅外光長(zhǎng)的稱為紅外光。
普通CCD黑白攝像機(jī)可以感受光的光譜特性，它不僅能感受可見光，而且可以感受紅外光。這就是利用普通CCD黑白攝像機(jī)，配合紅外燈可以比較經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)夜視的基本原理。而普通彩色攝像機(jī)的光譜特性不能感受紅外光，因此不能用于夜視。
紅外燈按其紅外光輻射機(jī)理分為半導(dǎo)體固體發(fā)光(紅外發(fā)射二級(jí)管)紅外燈和熱輻射紅外燈兩種。其原理及特性我們介紹如下：
1. 紅外發(fā)射二極管(LED)紅外燈的原理及特性
由紅外發(fā)光二級(jí)管矩陣組成發(fā)光體。紅外發(fā)射二級(jí)管由紅外輻射效率高的材料(常用砷化鎵GaAs)制成PN結(jié)，外加正向偏壓向PN結(jié)注入電流激發(fā)紅外光。光譜功率分布為中心波長(zhǎng)830～950nm，半峰帶寬約40nm左右，它是窄帶分布，為普通CCD黑白攝像機(jī)可感受的范圍。其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以完全無紅暴，(采用940～950nm波長(zhǎng)紅外管)或僅有微弱紅暴(紅暴為有可見紅光)和壽命長(zhǎng)。
紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率用輻照度μW/m2表示。一般來說，其紅外輻射功率與正向工作電流成正比，但在接近正向電流的最大額定值時(shí)，器件的溫度因電流的熱耗而上升，使光發(fā)射功率下降。紅外二極管電流過小，將影響其輻射功率的發(fā)揮，但工作電流過大將影響其壽命，甚至使紅外二極管燒毀。
當(dāng)電壓越過正向閾值電壓(約0.8V左右)電流開始流動(dòng)，而且是一很陡直的曲線，表明其工作電流對(duì)工作電壓十分敏感。因此要求工作電壓準(zhǔn)確、穩(wěn)定，否則影響輻射功率的發(fā)揮及其可靠性。輻射功率隨環(huán)境溫度的升高(包括其本身的發(fā)熱所產(chǎn)生的環(huán)境溫度升高)會(huì)使其輻射功率下降。紅外燈特別是遠(yuǎn)距離紅外燈，熱耗是設(shè)計(jì)和選擇時(shí)應(yīng)注意的問題。
紅外二極管的最大輻射強(qiáng)度一般在光軸的正前方，并隨輻射方向與光軸夾角的增加而減小。輻射強(qiáng)度為最大值的50%的角度稱為半強(qiáng)度輻射角。不同封裝工藝型號(hào)的紅外發(fā)光二極管的輻射角度有所不同。
2. 熱輻射紅外燈的基本原理及其特性
熱輻射現(xiàn)象是極為普通的,物體在溫度較低時(shí)產(chǎn)生的熱輻射全部是紅外光，所以人眼不能直接觀察到。當(dāng)加熱500度左右時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生暗紅色的可見光，隨著溫度的上升，光變得更亮更白。在熱輻射光源中通過加熱燈絲來維持它的溫度，供輻射繼續(xù)不斷的進(jìn)行。維持一定的溫度而從外部提供的能量與因輻射而減少的能量達(dá)到平衡。
輻射體在不同加熱溫度時(shí)，輻射的峰值波長(zhǎng)是不同的，其光譜能量分布也是不同的。
根據(jù)以上原理，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)和工藝制成的紅外燈泡，其紅外光成分最高可達(dá)92～95%。國(guó)外生產(chǎn)的這種紅外燈泡的技術(shù)性能為:
功率100～375W;電源電壓 230～250V;使用壽命5000小時(shí)、輻射角度60～80度。
普通黑白攝像機(jī)感受的光譜頻率范圍也是很寬的，且紅外燈泡一般可制成比較大的功率和大的輻照角度，因此可用于遠(yuǎn)距離紅外燈，這是它最大的優(yōu)點(diǎn)。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，考慮散熱不夠，壽命還要短。而對(duì)于客戶來講，更換燈泡是麻煩和不愉快的事情。
在克服熱輻射紅外燈缺點(diǎn)方面進(jìn)行了許多努力，首先是研制和應(yīng)用了高通紅外濾波鋼化玻璃。波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，紅暴愈小，甚至可達(dá)到全無紅暴，但是，紅外光的效率愈低，紅外燈發(fā)熱就愈高。紅外玻璃的波長(zhǎng)可根據(jù)用戶對(duì)紅暴要求高低加以選擇，一般而言，相同有效輻照距離時(shí)，對(duì)紅暴要求愈高，造價(jià)愈高。紅外玻璃經(jīng)過鋼化，可以耐受急冷急熱的變化，在內(nèi)部紅外燈泡由于可見光濾除的部分，轉(zhuǎn)化產(chǎn)生熱量，溫度會(huì)很高，外部冷風(fēng)及雨雪的突襲下，急冷而不致?lián)p壞。為提高熱輻射紅外燈的壽命，采用了光控開關(guān)電路，以減小其工作時(shí)間;采用了變壓穩(wěn)壓整流電路，使其發(fā)光功率得以充分發(fā)揮而且提高了紅外燈的壽命;而更重要的是考慮燈絲冷阻是非常小的，如100W紅外燈泡，燈絲熱阻為529Ω，這時(shí)的工作電流只有0.4348A，而冷阻只有 36Ω，紅外燈接通電源瞬間為6.39A瞬時(shí)功達(dá)到1470W，這一瞬間燈絲負(fù)荷過載達(dá)幾十倍，這對(duì)燈絲壽命有非常大的影響。人們研制的燈絲保護(hù)電路，相信紅外燈燈泡的工作壽命會(huì)成倍增長(zhǎng)。此外，還增加了延時(shí)開關(guān)電路以防環(huán)境的光干擾。
三.紅外燈的選擇和使用
紅外燈的選擇最重要的問題是成套性，即紅外燈與攝像機(jī)、鏡頭、防護(hù)罩、供電電源等的成套性。在設(shè)計(jì)方案時(shí)對(duì)所有器材綜合考慮設(shè)計(jì)，把它作為一個(gè)紅外低照度夜視監(jiān)控系統(tǒng)工程來考慮設(shè)計(jì)。有的人買完了攝像機(jī)、鏡頭、防護(hù)罩、電源之后甚至安裝之后才去考慮購(gòu)買紅外燈，這是不正確的，在考慮成套性時(shí)，特別要注意以下幾個(gè)問題。
1. 使用黑白攝像機(jī)或特殊彩色攝像機(jī)
CCD 圖象傳感器具有很寬的感光光譜范圍，其感光光譜不但包括可見光區(qū)域，還延長(zhǎng)到紅外區(qū)域，利用此特性，可以在夜間無可見光照明的情況下，用輔助紅外光源照明也可使CCD圖象傳感器清晰的成像。而普通彩色攝像機(jī)為了能傳輸彩色信號(hào)，從CCD器件的輸出信號(hào)中分離出綠藍(lán)紅三種基色視頻信號(hào)，然后合成彩色電視信號(hào)，其感光光譜只在可見光區(qū)域。
隨著技術(shù)的進(jìn)步出現(xiàn)白天彩色/晚上黑白攝像機(jī)，它采用兩個(gè)CCD進(jìn)行切換或采用一個(gè)CCD利用數(shù)位電路的切換來實(shí)現(xiàn)，但是存在黑白照度偏高、有的對(duì)彩色 色彩的不利影響等缺點(diǎn)。而紅外低照度彩色攝像機(jī)紅外感度比一般攝像機(jī)高4倍以上，隨著成本的降低，會(huì)成為發(fā)展趨勢(shì)的。
2. 要求選用低照度攝像機(jī)
攝像機(jī)的最低照度是當(dāng)被攝景物的光亮度低到一定程度而使攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)電平低到某一規(guī)定值時(shí)的景物光亮度值。測(cè)定此參數(shù)時(shí)，還應(yīng)特別注明鏡頭的光圈F的大小。例如使用F1.2的鏡頭，當(dāng)被攝影景物的照度值低到0.02Lx時(shí),攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)幅值為標(biāo)準(zhǔn)幅值700mv的50%-33%，則稱此攝像機(jī)的最低照度為0.02Lx/F1.2。有的攝像機(jī)生產(chǎn)廠家給出不同光圈F時(shí)的最低照度。當(dāng)選擇攝像機(jī)最低照度高于紅外燈要求時(shí)，
紅外燈的有效距離將受到一定影響。應(yīng)當(dāng)提醒用戶的是市場(chǎng)上出售的攝像機(jī)技術(shù)性能標(biāo)出的最低照度有兩種不正常情況，一種是攝像機(jī)制造商所標(biāo)的最低照度是所謂的靶面照度，即CCD圖象傳感器上的光照度，它比景物照度低10倍左右;另一種是有個(gè)別攝像機(jī)制造商或銷售商虛報(bào)最低照度。目前市場(chǎng)上比較經(jīng)濟(jì)的黑白攝像機(jī)(售價(jià)在700元左右，有的最低照度標(biāo)為0.01～0.02Lx)。
它們的實(shí)際最低照度僅為0.1～0.2Lx，如果，使用的紅外燈要求攝像機(jī)的最低照度為0.02Lx，必然影響紅外燈的有效照射距離，而購(gòu)買最低照度0.02Lux的攝像機(jī)，價(jià)格可能比0.1～0.2Lx攝像機(jī)最少高一倍左右。這時(shí)有兩種選擇，在攝像機(jī)上多花錢，在紅外燈上就少花錢;在攝像機(jī)上少花錢,在紅外燈上就多花錢。經(jīng)驗(yàn)表明室外特別是距離較遠(yuǎn)時(shí)，選擇前者是比較經(jīng)濟(jì)的。
3. 要求攝像機(jī)的尺寸規(guī)格
攝像機(jī)標(biāo)稱尺寸日趨小型化，目前市場(chǎng)上的攝像機(jī)尺寸規(guī)格有1/2" 1/3" 1/4"，攝像機(jī)尺寸大,接受的光通量大,攝像機(jī)尺寸小,接受的光通量少,如紅外燈標(biāo)稱的有效距離是在1/2"攝像機(jī)條件下試驗(yàn)的,如采用1/3"或者1/4"攝像機(jī),有效距離也將受到一定影響。1/3"攝像機(jī)光通量只有1/2”攝像機(jī)光通量的44%。
4. 鏡頭的尺寸規(guī)格與攝像機(jī)的尺寸規(guī)格同理，不再贅述。
5. 攝像機(jī)和鏡頭的功能要求
攝像機(jī)有自動(dòng)電子快門功能，AGC自動(dòng)增益控制功能，鏡頭有自動(dòng)光圈，以適應(yīng)晝夜照度很大的變化。
6. 電源供應(yīng)
電視監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)備的電源供應(yīng)要統(tǒng)一考慮設(shè)計(jì)。紅外燈的電源供應(yīng)，考慮到紅外管的工作電流對(duì)供電電壓十分敏感，而電纜長(zhǎng)度不同對(duì)直流電壓衰減不同。在多個(gè)紅外燈距控制室的距離相差較大時(shí)，采用DC12V集中供電可能使距控制室近的紅外燈供電電壓高，距控制室遠(yuǎn)的紅外燈供電電壓低。加之電源電壓調(diào)整上的偏差，可能造成電壓過高的紅外燈壽命縮短甚至燒壞，電壓低的紅外燈發(fā)射功率不足。因此建議盡可能采用AC220V供電或配一對(duì)一的直流穩(wěn)壓電源，這種直流穩(wěn)壓電源有的在電網(wǎng)電壓波動(dòng)在AC100V-245V時(shí)輸出直流電壓都是穩(wěn)定的，保證紅外燈紅外輻射功率都是穩(wěn)定可靠的。
除配套性外，還要考慮到以下因素，選擇紅外燈時(shí)，在選擇紅外燈輻照距離時(shí)留有余地。
1.攝像機(jī)給出的最低照度。這里的最低照度概念是什么?攝像機(jī)產(chǎn)生的視頻信號(hào)標(biāo)稱值為1V，標(biāo)準(zhǔn)值為0.7V，而最低照度時(shí)的視頻信號(hào)值為1/3-1/2標(biāo)準(zhǔn)植。所以攝像機(jī)在最低照度時(shí)的圖像，決不會(huì)“如同白晝一樣”。
2.攝像機(jī)在最低照度時(shí)產(chǎn)生的圖像清晰度，是用電視信號(hào)測(cè)試卡進(jìn)行測(cè)式的，其黑白相間的條紋，要求黑色反射率近于0%，白色反射率大于89.9%。而我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)觀察時(shí)有時(shí)不具備這樣的條件，比如：樹葉和草地的反射率很低，反差很小，就不易獲得清晰圖像。
3.給出攝像機(jī)最低照度的同時(shí)，還要給出光圈F的要求值，而變焦鏡頭一般只給出1：F的最大值，即光圈F的最小值(光圈實(shí)際尺寸最大值)，F(xiàn)=f/D,那么D為定值，在f焦距拉大10倍時(shí)，F(xiàn)變得很大(即光圈實(shí)際尺寸變得很小)。光通量將受到很大影響。
4.在使用自動(dòng)光圈鏡頭、自動(dòng)增益控制或自動(dòng)電子快門攝像機(jī)時(shí)，鏡頭光圈F值也會(huì)發(fā)生變化。例如，在攝像機(jī)近處有景物，反射回強(qiáng)光給攝像機(jī)，或附近有燈光照射攝像機(jī)，這時(shí)攝像機(jī)的靈敏度將減小、自動(dòng)光圈的尺寸將被關(guān)小，光通量也將受到很大影響。
5.防護(hù)罩對(duì)紅外燈的效果也有影響，紅外光在傳輸過程中，通過不同介質(zhì)，透射率和反射率也不同。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。
6. 有的器材生產(chǎn)或銷售商，不給出紅外燈的輻照距離，只給出功率數(shù)，這樣對(duì)生產(chǎn)、銷售商來說麻煩可能少一些，但是這是非常含糊的概念，因?yàn)楣β氏某D(zhuǎn)化為紅外光能外，還有電源熱損耗、電路熱損耗、光源熱損耗、濾光玻璃片紅外光效率等等。相同功率的紅外燈，其輻照距離可能相差很遠(yuǎn)。
隨著紅外夜視系統(tǒng)的迅速發(fā)展，紅外燈生產(chǎn)供應(yīng)廠家也會(huì)增加，但紅燈產(chǎn)品并非象有的人想象的那樣容易，在技術(shù)、檢測(cè)儀器設(shè)備等方面條件也不同，希望用戶多多加比較，慎重選擇。
用戶使用紅外燈首先要仔細(xì)閱讀使用說明書，特別是為保證人身設(shè)備安全的注意事項(xiàng)。檢查前面所講述的配套性方面是否達(dá)到要求，應(yīng)考慮到的影響因素是否考慮到，如未達(dá)到要求，可及時(shí)調(diào)整所用器材。
用戶不應(yīng)擅自提高供電電壓，因?yàn)榧t外燈在設(shè)計(jì)時(shí)，既考慮到其輻照度的充分發(fā)揮，又考慮到其安全可靠性。提高供電電壓，可能使紅外燈燒毀，更不應(yīng)擅自拆改紅外燈。如果這樣做，生產(chǎn)廠家可能不再負(fù)責(zé)維修。如果紅外燈出現(xiàn)問題，應(yīng)與生產(chǎn)廠家或供貨商聯(lián)系.