深入剖析红外线和红外灯的原理特性

红外线和红外灯的原理特性

    在安防电视监控系统中，随着人们安全防范意识的提高、对重要场所 24 小时连续监控电视监控的需要和红外成像技术的成熟，红外摄像机的使用率越来越高，已逐渐发展成为一种趋势，不仅在银行、金库、博物馆、档案馆、图书文献库、监狱等重要部门应用，而且也在居民小区等一般电视监控工程中得到使用。

一、

    光是一种电磁波，具有与无线电波一样的本质。它的波长区间从几个纳米（ 1nm=10 -9m ）到 1 毫米（ mm ）左右。人眼可见的只是其中一部分，我们称其为可见光，可见光的波长范围为 380nm ～ 780nm ，可见光波长由长到短分为红、橙、黄、绿、青、兰、紫光，波长比紫光短的称为紫外光，波长比红外光长的称为红外光。红外光线的波长在 780nm ～ 1000 μ m 之间，位于无线电波与可见光之间。

    红外灯按其红外线辐射机理分为半导体固体发光（红外发射二极管 IR LED ）

    红外灯和热辐射红外灯两种。目前在 CCTV 红外摄像机中前者使用较多。

    红外发射二极管（ IR LED ）红外灯的原理是：由红外发光二极管矩阵组成发光体。红外发射二极管由红外辐射效率高的材料（常用砷化镓 GaAs ）制成 PN 结，外加正向偏置电压向 PN 结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长 830 ～ 950nm ，半峰带宽约 40nm 左右，它是窄带分布，为普通 CCD 黑白摄像机可感受的范围。

    红外发光二极管的发射功率用辐照度μ W/m2 表示。红外二极管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，即半功率角。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。

二、红外摄像机的成像原理

    在夜视监控系统中，常规的办法是利用可见光照明，但这种方式存在不能隐蔽、容易暴露监控目标等缺点，因此使用较少；目前隐蔽、科学的夜视监控是采用红外摄像技术。红外摄像技术分为被动式和主动式。被动红外摄像技术是利用任何物质在绝对零度（ -273 ℃ ）以上都有红外线辐射，物体的温度越高，辐射出的红外线越多。利用此原理制成的摄像机最典型的就是红外热像仪，但是，这种特殊的红外摄像机造价昂贵，因此仅限于军事或特殊场合使用。而主动红外摄像技术，是采用红外灯辐射“照明”（主要是红外光线），应用普通低照度黑白摄像机、彩色转黑白摄像机或红外低照度彩色摄像机，感受周围景物和环境反射回来的红外光实现夜视监控。主动红外摄像技术成熟，稳定，成为夜视监控的主流。

    红外摄像机是将摄像机、防护罩、红外灯、供电散热单元等综合成为一体的摄像设备。它实现夜视的基本原理是利用普通 CCD 黑白摄像机可以感受红外光的光谱特性（即可以感受可见光，也可以感受红外光），配合红外灯作为“照明源”来夜视成像。红外灯的功率和角度，摄像机的配置，一定焦距的感红外镜头，以及是否有良好的供电散热处理是判断红外摄像机性能的重要参数。

    目前市场上也有许多产品是摄像机与红外线投射器分开的，这需要用户对红外灯和摄像机的性能有足够的了解，能够根据红外灯的角度、摄像机镜头参数等作合理的搭配。

三、红外摄像机的性能分析

    红外摄像机在监控摄像机中具有夜视距离远、隐蔽性强、性能稳定等突出优势，因而在 CCTV 夜视监控中占据了大部分的市场。如何在纷杂的红外摄像机市场中辨别优劣呢？性能优良的红外摄像机必须能够具备以下性能：

1. 红外灯工作条件

    一般来说，其红外灯辐射功率与正向工作电流成正比，但在接近正向电流的最大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射功率下降。红外二极管电流过小，将影响其辐射功率的发挥，但工作电流过大将影响其寿命，甚至使红外二极管烧毁。

    当电压越过正向阈值电压（约 0.8V 左右）电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其工作电流要求十分敏感。因此要求工作电流准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。辐射功率随环境温度的升高 ( 包括其本身的发热所产生的环境温度升高 ) 会使其辐射功率下降。红外灯特别是远距离红外灯，热耗是设计和选择时应注意的问题。

    因此，红外灯的使用必须有良好的恒流电源供电、良好的散热设计。艾尔森的变焦 MCD 、 MDD 、 MED 、 MBB 系列摄像机都安装了大功率红外灯（最多可达 24 颗），且采用了大功率恒流电源供电，内部循环散热设计，因而能达到远距离夜视（最远可达 220 米 ）和红外灯寿命长的效果。

2. 红外光的利用率和红暴问题

    什么是红暴呢？红暴是由于所发射的红外线中包含可见光的成分。

    红外灯可以做到完全无红暴（采用 940 ～ 950nm 波长红外管）或仅有微弱红暴。艾尔森采用美国奥克斯特（ AUCSITER ）红外技术，通过在保证红外灯功率的前提下，降低红外灯自身热耗，调整红外光线角度，使红外灯的有效利用率达到了 90% 。在红外灯的选择上，挑选波长较大（ 910nm ）的红外灯，严格降低红暴，达到了微红暴效果。

3. 红外摄像机的起雾结霜问题

    雾、霜的形成是由于空气中的饱和水蒸气遇冷凝结而成，因冷环境的强、弱分别凝结成霜和雾。红外摄像机在工作过程中，尤其是室外摄像机常常会因四季变化、昼夜温差、以及雨雪环境等原因在防护罩视窗玻璃上形成雾或霜，导致摄像机无法看清物体，直接影响监控效果。艾尔森通过采用先进的电子除霜电路，有效的控制腔体内的饱和水蒸气浓度，做到了自动除雾除霜。

4. 红外摄像机的视窗玻璃清洁

    摄像机在雨雪天或粉尘大的环境下工作，防护罩的视窗玻璃容易出现污垢，造成摄像机视线遮挡。解决的办法通常是在防护罩上增加雨刷，通过控制雨刷清洁玻璃；另外一种办法是使用隐形雨刷视窗玻璃。与普通视窗玻璃相比，隐形雨刷视窗玻璃具有排斥水、灰尘、雪花的功能。

5. 红外摄像机的恒温
 
    由于配置了发热量较大的红外灯，红外灯在启动后，整个工作时间段内（以 12 小时计）在红外摄像机前部会有热量集中，即腔体内前端温度偏高，如不能散热均匀定会影响摄像机等其它部件的正常工作。艾尔森通过设计使用具有强制散热散冷作用的自动冷暖空调，良好的解决了这一问题。

    自动冷暖空调采用珀尔帖效应原理，测温控制电路可以自动调节，将防护罩内温度恒定在摄像机正常工作温度范围内，出厂时罩内温度设置在 + 5 ℃ 以下加热、+ 40 ℃ 以上致冷。实验表明该红外摄像机可在 -40 ℃ ～+ 70 ℃ （阳光直射）的室外自然环境下正常工作。

6. 红外摄像机的全封闭

    除恒温外，使用自动冷暖空调的另一优点是可以将红外摄像机做成全封闭，不留任何散热孔，阻止灰尘、湿气、腐蚀性气体的进入，使其能够适应粉尘大的恶劣环境，如大型煤矿也可正常使用。