红外摄像机的原理及选择

来源:《中国公共安全》

作者:田振华

一、红外基本原理介绍

光是一种电磁波,它的波长区间从几个纳米(1nm=10-9m,十亿分之一米) 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。其中波长比红光长的称为红外光,波长为1毫米770纳米之间,光谱上面在红色光的外侧。

 

 

1 光的电磁波谱

自然界任何物体在绝对零度(-273°C)以上都有红外光发射,利用这个原理,人们发明了被动红外摄像技术。被动红外摄像技术主要通过探测目标物体的红外辐射,并通过光电转换、信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备。由于它只是感应物体温度的分布,并不能很好的区分物体的细节。目前主要用于目标物特征分析、热传导研究、地表/海洋热分布研究等。

主动红外摄像技术是利用特制的红外灯人为产生红外辐射,发出红外光去照射物体,利用成像元件(CCDCMOS)去感受周围环境反射回来的红外光,从而实现夜视功能。

二、                            红外灯的分类及特点

红外灯按红外光辐射机理分为半导体固体发光(LED红外灯,激光红外灯)和红外线灯或热辐射红外灯两类。

a.红外发射二极管( LED )红外灯的原理及特性

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)制成 PN 结,外加正向偏压向 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。其最大的优点是可以完全无红暴,(采用940 950nm 波长红外管)或仅有微弱红暴(红暴为有可见红光),寿命长。

2 红外LED灯摄像机

  红外发光二极管的发射功率用辐照度μ W/m2 表示。一般来说,其红外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,表明其工作电流对工作电压十分敏感。因此要求工作电压准确、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。

b.点阵红外灯的原理及特性

3 红外阵列灯摄像机

阵列红外夜视技术,本质还是通过摄像机发射主动红外光波的方式实行夜视效果,但采用了先进的封装技术,将几十个高功率、高效率的红外晶元封装在一个平面上。

阵列红外摄像机在监控领域中应用的最大优势在于解决了LED光源散热的问题,具有极高的发光效率和发光强度,光电转换效率比普通红外LED摄像机提高了25%左右,效率可达到45%,大大的降低能耗,增加照明距离,同时延长了摄像机的使用寿命,阵列红外夜视摄像机的使用寿命一般为普通红外摄像机使用寿命的9倍。

c.激光红外灯的原理及其特性

激光红外灯属于半导体激光器是利用半导体材料,在空穴和电子复合的过程中电子能级的降低而释放出光子来产生光能的,然后光子在谐振腔间产生谐振规范光子的传播方向而形成激光。激光红外灯通常选用810nm半导体激光器。810nm 属近红外,和可见光中的红光波长接近,CCD810nm波长有比较好的感应。

激光有如下明显优势:(1)方向性:激光器发射的光,天生就是朝一个方向射出,光束的发散角小,接近于理想平行光;(2)单色性:激光的光谱宽度非常的小,是几个纳米量级。所以其具有良好的单色性光源;(3)亮度高,能量密度大;(4)激光电能到光能的转化效率高,电光转换效率至少55% LED灯电光转换率最高只能达到20%。故激光比较适合做窄角度,远距离监控照明使用,但激光目前造价比普通LED会高很多,使用范围受到很大限制,相信随着半导体技术的发展,激光成本减低的同时,在照明方面会得到更宽广的应用。

d.热辐射红外灯的原理与特点:

热辐射现象是极为普通的。物体在温度较低时产生的热辐射全部是红外光,所以人们不能直接观察到。当加热到500℃左右时,才会产生暗红色的可见光,随着温度的上升,光变得更亮更白。在热辐射光源中,通过加热灯丝来维持它的温度,以此来保证辐射不断的进行。辐射体在不同温度时,辐射出的峰值波长是不同的,其光谱能量的分布也是不同的。根据上述原理,经过特殊设计和特殊工艺制成的红外灯泡,其红外光成分可达92-95%。国外生产的红外灯,功率可达100-375W,使用寿命可达2000-5000d小时,辐射角可达60-80°。红外灯发射的红外光谱范围很宽,波长在800-2500nm之间,这与普通黑白摄像机感受的宽光谱范围相一致。热辐射红外灯的最大优点是可以做到大功率、大辐射角,比较适合远距离大场面的场所使用。其缺点是有红暴,寿命短,按每天使用10小时计算,最大寿命5000小时,也只能使用一年多一点的时间。

三、使用红外技术应该注意的问题

红外灯的选择最重要的问题是红外灯与摄像机、镜头、供电电源等成套性。正确的做法应该是在设计方案时对所有的器材统一考虑,将它看作是一个红外低照度夜视监控系统工程要求进行设计,而不能在安装完摄像机、镜头、防护罩和电源之后,再去考虑红外灯。

(1)首先要使用感红外的摄像机:

其实CCD是全光谱器件,所有光都可以感应到的,但红外光对彩色CCD会造成偏色影响,故目前市面上普通彩色摄像机加了不感红外的滤光片滤除了红外光。目前市场中彩色红外摄像机有两种做法,采用双峰单滤光片和白天夜晚切换不同滤光片的方法。采用双峰单滤光片是在滤光片上镀颗同时透过可见光和红外光的镀膜,这种缺点是红外光可以透过,白天会对彩色图像色彩造成偏色;电子阀切换不同滤光片的方法,白天用不感红外的滤光片,夜晚时切换可透过红外光的滤光片来感应红外灯发出的红外光成像。

 (2)镜头的选择

       首先要注意摄像机CCDCMOS的尺寸,目前摄像机感光芯片主流尺寸为12 1314故不同尺寸规格的感光芯片需配相应规格的镜头,否则匹配不合适或出现暗角或镜头角度浪费等现象;使用在红外摄像机上要选用带IR功能的镜头,普通镜头没有IR镀膜,会造成白天和夜晚焦点偏差,白天图像清晰,夜晚图像模糊的问题;再者镜头的角度要和选用的红外灯发射角度相匹配,如果镜头的角度比红外灯角度大,会出现“手电筒”现象,中间亮,四周有暗角,如果镜头角度比红外灯角度小则造成部分红外光浪费的问题;其次是注意镜头的光圈值,相同焦距不同光圈值的镜头进光量是有很大区别的,F1.2F3.0光圈的镜头进光量相差6倍。

 (3)电源的选择

选择电源时,需考虑电源输出功耗的冗余,一般电源功耗需大于整体系统所需功耗的20%。如果设计电源输出功耗正好和系统整体功耗相同或略微偏大,电源基本处于满载状态,电源发热比较严重,易造成电源带载能力下降。选择电源时也要考虑摄像机布线上的线损压降,如果布线距离偏远,适量提高电源供电电压,以满足远距离摄像机和红外灯板供电电压要求。易出现的问题是,电压偏低红外灯不能工作在额定电流下,红外灯板的照射距离将大打折扣。

四、高清监控对红外技术的要求

高清摄像机相对于普通摄像机感光芯片,相同尺寸上像素点成倍数增加,故造成感光点尺寸相应倍数的减少,所以相同曝光情况下,高清摄像机相对于普通像素摄像机低照度会差很多。这就意味着如果做高清摄像机夜晚红外补光需要的强度要比普通像素红外摄像机高的多。例如一个130万像素1/3’尺寸的高清CCD,相对于43万像素(480线数)1/3’尺寸的普通CCD,单位面积上高清CCD的像素点是普通CCD3倍,则高清CCD像素点感光性能则为普通CCD感光度的1/3,这就是高清摄像机夜晚效果差得根本原因。现在的做法是延长曝光时间,来弥补低照度性能不好的缺陷,但这样就造成图像易出现拖影现象。如果高清夜晚图像效果要好的话,只能增强外界灯光来弥补此方面的不足。

针对于高清补光方面,高清摄像机红外补光对不同距离的监控有不同的方案配置。近距离选用角度广的LED灯板来补光,可实现广角监控且成本较低,中远距离由于需要的补光灯强度比较大,角度小,使用普通的LED很难达到所需的效果。故在中远距离选用具有方向性强,能量集中的激光红外灯来进行补光。

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