紅外線和紅外燈的原理特性

    在安防電視監(jiān)控系統(tǒng)中，隨著人們安全防范意識(shí)的提高、對(duì)重要場(chǎng)所 24 小時(shí)連續(xù)監(jiān)控電視監(jiān)控的需要和紅外成像技術(shù)的成熟，紅外攝像機(jī)的使用率越來(lái)越高，已逐漸發(fā)展成為一種趨勢(shì)，不僅在銀行、金庫(kù)、博物館、檔案館、圖書(shū)文獻(xiàn)庫(kù)、監(jiān)獄等重要部門(mén)應(yīng)用，而且也在居民小區(qū)等一般電視監(jiān)控工程中得到使用。

一、

    光是一種電磁波，具有與無(wú)線電波一樣的本質(zhì)。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(jiàn)的只是其中一部分，我們稱其為可見(jiàn)光，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍為 380nm ～ 780nm ，可見(jiàn)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。紅外光線的波長(zhǎng)在 780nm ～ 1000 μ m 之間，位于無(wú)線電波與可見(jiàn)光之間。

    紅外燈按其紅外線輻射機(jī)理分為半導(dǎo)體固體發(fā)光（紅外發(fā)射二極管 IR LED ）

    紅外燈和熱輻射紅外燈兩種。目前在 CCTV 紅外攝像機(jī)中前者使用較多。

    紅外發(fā)射二極管（ IR LED ）紅外燈的原理是：由紅外發(fā)光二極管矩陣組成發(fā)光體。紅外發(fā)射二極管由紅外輻射效率高的材料（常用砷化鎵 GaAs ）制成 PN 結(jié)，外加正向偏置電壓向 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。

    紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率用輻照度μ W/m2 表示。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，即半功率角。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。

二、紅外攝像機(jī)的成像原理

    在夜視監(jiān)控系統(tǒng)中，常規(guī)的辦法是利用可見(jiàn)光照明，但這種方式存在不能隱蔽、容易暴露監(jiān)控目標(biāo)等缺點(diǎn)，因此使用較少；目前隱蔽、科學(xué)的夜視監(jiān)控是采用紅外攝像技術(shù)。紅外攝像技術(shù)分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)紅外攝像技術(shù)是利用任何物質(zhì)在絕對(duì)零度（ -273 ℃ ）以上都有紅外線輻射，物體的溫度越高，輻射出的紅外線越多。利用此原理制成的攝像機(jī)最典型的就是紅外熱像儀，但是，這種特殊的紅外攝像機(jī)造價(jià)昂貴，因此僅限于軍事或特殊場(chǎng)合使用。而主動(dòng)紅外攝像技術(shù)，是采用紅外燈輻射“照明”（主要是紅外光線），應(yīng)用普通低照度黑白攝像機(jī)、彩色轉(zhuǎn)黑白攝像機(jī)或紅外低照度彩色攝像機(jī)，感受周圍景物和環(huán)境反射回來(lái)的紅外光實(shí)現(xiàn)夜視監(jiān)控。主動(dòng)紅外攝像技術(shù)成熟，穩(wěn)定，成為夜視監(jiān)控的主流。

    紅外攝像機(jī)是將攝像機(jī)、防護(hù)罩、紅外燈、供電散熱單元等綜合成為一體的攝像設(shè)備。它實(shí)現(xiàn)夜視的基本原理是利用普通 CCD 黑白攝像機(jī)可以感受紅外光的光譜特性（即可以感受可見(jiàn)光，也可以感受紅外光），配合紅外燈作為“照明源”來(lái)夜視成像。紅外燈的功率和角度，攝像機(jī)的配置，一定焦距的感紅外鏡頭，以及是否有良好的供電散熱處理是判斷紅外攝像機(jī)性能的重要參數(shù)。

    目前市場(chǎng)上也有許多產(chǎn)品是攝像機(jī)與紅外線投射器分開(kāi)的，這需要用戶對(duì)紅外燈和攝像機(jī)的性能有足夠的了解，能夠根據(jù)紅外燈的角度、攝像機(jī)鏡頭參數(shù)等作合理的搭配。

三、紅外攝像機(jī)的性能分析

    紅外攝像機(jī)在監(jiān)控?cái)z像機(jī)中具有夜視距離遠(yuǎn)、隱蔽性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等突出優(yōu)勢(shì)，因而在 CCTV 夜視監(jiān)控中占據(jù)了大部分的市場(chǎng)。如何在紛雜的紅外攝像機(jī)市場(chǎng)中辨別優(yōu)劣呢？性能優(yōu)良的紅外攝像機(jī)必須能夠具備以下性能：

1. 紅外燈工作條件

    一般來(lái)說(shuō)，其紅外燈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(guò)小，將影響其輻射功率的發(fā)揮，但工作電流過(guò)大將影響其壽命，甚至使紅外二極管燒毀。

    當(dāng)電壓越過(guò)正向閾值電壓（約 0.8V 左右）電流開(kāi)始流動(dòng)，而且是一很陡直的曲線，表明其工作電流要求十分敏感。因此要求工作電流準(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(wèn)題。

    因此，紅外燈的使用必須有良好的恒流電源供電、良好的散熱設(shè)計(jì)。艾爾森的變焦 MCD 、 MDD 、 MED 、 MBB 系列攝像機(jī)都安裝了大功率紅外燈（最多可達(dá) 24 顆），且采用了大功率恒流電源供電，內(nèi)部循環(huán)散熱設(shè)計(jì)，因而能達(dá)到遠(yuǎn)距離夜視（最遠(yuǎn)可達(dá) 220 米 ）和紅外燈壽命長(zhǎng)的效果。

2. 紅外光的利用率和紅暴問(wèn)題

    什么是紅暴呢？紅暴是由于所發(fā)射的紅外線中包含可見(jiàn)光的成分。

    紅外燈可以做到完全無(wú)紅暴（采用 940 ～ 950nm 波長(zhǎng)紅外管）或僅有微弱紅暴。艾爾森采用美國(guó)奧克斯特（ AUCSITER ）紅外技術(shù)，通過(guò)在保證紅外燈功率的前提下，降低紅外燈自身熱耗，調(diào)整紅外光線角度，使紅外燈的有效利用率達(dá)到了 90% 。在紅外燈的選擇上，挑選波長(zhǎng)較大（ 910nm ）的紅外燈，嚴(yán)格降低紅暴，達(dá)到了微紅暴效果。

3. 紅外攝像機(jī)的起霧結(jié)霜問(wèn)題

    霧、霜的形成是由于空氣中的飽和水蒸氣遇冷凝結(jié)而成，因冷環(huán)境的強(qiáng)、弱分別凝結(jié)成霜和霧。紅外攝像機(jī)在工作過(guò)程中，尤其是室外攝像機(jī)常常會(huì)因四季變化、晝夜溫差、以及雨雪環(huán)境等原因在防護(hù)罩視窗玻璃上形成霧或霜，導(dǎo)致攝像機(jī)無(wú)法看清物體，直接影響監(jiān)控效果。艾爾森通過(guò)采用先進(jìn)的電子除霜電路，有效的控制腔體內(nèi)的飽和水蒸氣濃度，做到了自動(dòng)除霧除霜。

4. 紅外攝像機(jī)的視窗玻璃清潔

    攝像機(jī)在雨雪天或粉塵大的環(huán)境下工作，防護(hù)罩的視窗玻璃容易出現(xiàn)污垢，造成攝像機(jī)視線遮擋。解決的辦法通常是在防護(hù)罩上增加雨刷，通過(guò)控制雨刷清潔玻璃；另外一種辦法是使用隱形雨刷視窗玻璃。與普通視窗玻璃相比，隱形雨刷視窗玻璃具有排斥水、灰塵、雪花的功能。

5. 紅外攝像機(jī)的恒溫
 
    由于配置了發(fā)熱量較大的紅外燈，紅外燈在啟動(dòng)后，整個(gè)工作時(shí)間段內(nèi)（以 12 小時(shí)計(jì)）在紅外攝像機(jī)前部會(huì)有熱量集中，即腔體內(nèi)前端溫度偏高，如不能散熱均勻定會(huì)影響攝像機(jī)等其它部件的正常工作。艾爾森通過(guò)設(shè)計(jì)使用具有強(qiáng)制散熱散冷作用的自動(dòng)冷暖空調(diào)，良好的解決了這一問(wèn)題。

    自動(dòng)冷暖空調(diào)采用珀?duì)柼�效�?yīng)原理，測(cè)溫控制電路可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，將防護(hù)罩內(nèi)溫度恒定在攝像機(jī)正常工作溫度范圍內(nèi)，出廠時(shí)罩內(nèi)溫度設(shè)置在 + 5 ℃ 以下加熱、+ 40 ℃ 以上致冷。實(shí)驗(yàn)表明該紅外攝像機(jī)可在 -40 ℃ ～+ 70 ℃ （陽(yáng)光直射）的室外自然環(huán)境下正常工作。

6. 紅外攝像機(jī)的全封閉

    除恒溫外，使用自動(dòng)冷暖空調(diào)的另一優(yōu)點(diǎn)是可以將紅外攝像機(jī)做成全封閉，不留任何散熱孔，阻止灰塵、濕氣、腐蝕性氣體的進(jìn)入，使其能夠適應(yīng)粉塵大的惡劣環(huán)境，如大型煤礦也可正常使用。