新一代阵列式红外光源及其在安防监控中的应用

2011-07-17 17:07:22来源: CPS 关键字:红外摄像机  红外光源  阵列式  安防监控

  红外光源及其在安防监控中的应用随着光电信息技术的发展,红外固体发光器件己由传统的红外LED,小功率阵列式LED,到现在的大功率阵列式LED,即新一代红外光源LED-Array。该光源的出现,克服了第一、二代红外光源的缺陷,使得安防视频监控系统24小时不间断地监控真正变为现实。本文介绍红外光源的种类、发展,新一代阵列式红外光源的特点与半导体激光红外光源的区别与比较,以及它在安防视频监控中的应用与发展前景。

引   言

  光是生命的源泉,它哺育了世间的万物,为人类世界带来了智慧和光明。如果没有光,就不可能有我们现在的文明。因而,从抽象的艺术表现到有效的科学应用,光(光学)为我们提供了很有价值的信息资源。1860年,麦克斯韦电磁理论建立后,才认识到光也是一种电磁现象。原来光和无线电波一样,也是一种电磁波,只不过光的波长比无线电波短得多而已。

  电磁波谱波段划分如图1所示。由图1可知,电磁波包括的范围很广,如现在已经发现的宇宙射线,其波长小于几个皮米(1pm=10-12m),而广播用的无线电波的波长则达上千米,它们都属于电磁波的范畴。光波仅仅是电磁波中的一小部分,它包括的波长区间约从几个纳米(1nm=10-9m)到1mm左右。这些光并不是人眼都能看得见的。其中只有波长从约380nm到780nm范围内的电磁波,才能引起人眼感光细胞的直接感觉。这一段波谱我们称为可见光区。为了清楚起见,分别将紫外、可见和红外光部分放大如图1下部分所示。在可见光中,波长最短的是紫光,稍长的是蓝光,以后的顺序是青光、绿光、黄光、橙光和红光,红光的波长最长。而在不可见光中,波长比紫光短的光称为紫外线,比红光长的叫红外线。红外光的波长有3个区:波长从0.78μm~1.5μm的光为近红外光;波长从1.5μm~10μm的光为中红外光; 波长从10μm~1000μm的光为远红外光。

  显然,那种说:“可见光的波长是300nm~700nm”,“波长超过700nm的光线叫做红外线”,“715nm的红外灯能使大多数黑白摄像机或昼夜转换摄像机对该波长范围的红外光都比较敏感,从而达到对摄像机选择要求不高的效果,并且较于830 nm的红外灯具有更远的投射距离,但同时此波长的红外灯也特别容易在灯窗口处产生红暴点,从而使任何人都能够远距离看到红外灯的工作状态”(至今还有人在文章中这样说)是错误的。在错误的结论下讨论红暴问题自然也就不恰当了,因为700~780nm的光,本来就是看得见的红光。

  随着安防行业的发展,24小时不间断地监控对夜视要求越来越高,红外技术经历了不同时期的发展,已广泛应用于监控夜视领域,尤其要求夜间隐蔽性监控。因为传统式的照明灯光经常会引起别人的注意,会提醒入侵者“装有电视监控系统”,或者会影响周围的住户。而安装红外光源则不存在这些问题。

  目前,在安防监控领域主要是利用红外光源照明的主动红外夜视系统。本文介绍红外光源的种类、发展,新一代阵列式红外光源的特点,与半导体激光红外光源的区别与比较,以及它在安防视频监控中的应用与发展前景。

红外光源的种类及发展

  红外技术早在60年代初期由美国贝尔实验室研发成功,到目前为止,广泛应用于安防监控行业,红外技术的运用有两种方式:第一种是被动红外夜视技术。它是借助于目标自身发射的红外辐射来实现观察的红外技术,它根据目标与背景或目标各部分之间的温差或热辐射差来发现目标,其对应装备为红外热感应成像仪。热成像仪具有不同于其它夜视仪的独特优点,如可在雾、雨、雪的天气下工作,作用距离远,能识别伪装和抗干扰等,已成国外夜视装备的发展重点,并将在一定程度上取代微光夜视仪。但画面仅为物体的轮廓,无法做为呈堂的证据,而且它的价格极为昂贵,一旦价格下降,也将会用于监控系统。


                                     


  第二种是主动红外夜视技术。它是通过主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施观察的夜视技术,其对应装备为主动红外夜视仪,是目前监控行业里普遍运用的一项技术。红外线监控系统通过主动发出红外波长的红外灯光照亮物体,显然红外光的亮度决定了看清的程度。一般,产生这种不可见光的红外光源的方法有下列三种

  (1)直接使用白炽灯氙灯发出的红外光,即在这两种灯上安装可见光滤镜,即滤去可见光,只让看不见的红外射线射出;

  (2)使用红外发光二极管LED或LED阵列来产生红外光。这种器件是通过半导体中的电子与空穴复合来产生红外光的;

  (3)使用红外激光二极管LD作红外光源。它把处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去,通过大量粒子分布反转,共振而维持受激辐射。

  第一种红外灯在安防视频监控领域使用的时间最长、技术也最为成熟,直到现在以这种工作方式的产品也还有人在工程中运用。特别在一些室外环境中需要照射远距离的环境中,这种红外夜视系统能够充分达到实际使用要求。目前效果比较好的卤素灯生产厂商的产品可以达到300米左右。

  相对于其它类型红外灯来讲,这种热光源的工作寿命(灯泡寿命)较短,一般通过光控开关使卤素红外灯在环境照度低于一定照度值时自动接通卤素红外灯工作电源,当整体环境照度高于一定照度值时自动断开卤素红外灯工作电源,从而使卤素红外灯能在白天或夜间自动切换。实际上,这种光控开关装置的程序设置中还设有一段等待时间值,以保证让灯泡慢慢变热,防止突然变热对灯泡产生的损害,这对于灯泡寿命提升非常有用。这种预热时间的保证,使之不会自动切断卤素灯工作电源,防止卤素灯工作受到瞬间的干扰(如汽车大灯瞬间照射等)影响。但由于这种热光源的体积大、效率低,发热量巨大,使用寿命短,消耗品价格高,抗冲击的能力差,有强烈的热辐射等问题,已经被第二种红外灯技术以体积小、寿命长、价格低等优势而基本淘汰了。

  第二种红外灯是目前安防视频监控领域常用的,从这种红外光源的发展史来看,可分为下列几代发展历程。

  第一代:传统LED最早期的单个的红外LED转换效率很低(只有5%),多用在红外遥控器等简单产品上。经过在夜视应用中的反复实践和发展,通过把单个的红外LED封装组合起来,固定于镜头的周围,给监控摄像机取像进行主动补光。这种传统的小功率LED灯是最先用于红外摄像机并现在仍在大量使用的一种红外光光源,它们是第一代LED。其主要优势是价格低,因而应用广泛,占有了红外机市场95%的份额。但品质参差不齐,所以价格差异也大。其主要缺点是:①寿命短。因传统LED散热处理不良,造成周围温度太高而影响附近电子元器件的寿命(如摄像机板,控制电路板等易坏,使寿命缩短);②光衰减太快。因传统LED用“环氧树脂”作为透镜的材料,但“环氧树脂”遇热后会产生断裂,随着时间长了,断裂面就愈来愈多。红外光线通过每个断裂面时,有部分光穿过了,也有部分光折射回来了。通过的断裂面愈多则折射回的光就愈多,出去的光就愈少,因而传统LED光衰减特快、这也是寿命缩短的主要原因。若采用其它不断裂材料(如硅胶)取代环氧树脂,则其生产成本又将上升(超过现在的数十倍以上),从而又失去了市场竞争力。③功率小等。

  第二代:小功率阵列式LED点阵式的L E D称第二代阵列式LED,它集成了多颗小功率LED在一个小范围内,并作了“热电分离”处理,使整个零件能置于任意大小、任意形状的散热体上,从而解决了散热问题,不再会由于高温而伤害了周围其它电子元器件。并且,使用了不断裂的封装材料而极大地减少了光衰减,使寿命较传统LED增长了5~10倍。因而有体积小,散热处理好,寿命长的优点。其主要缺点是:①小功率阵列式LED的价格较传统LED高出甚多;②亮度比相同功率的传统LED的低。因为它为了配合摄像机镜头的角度而使用透镜来缩小送光角度时,无可避免地有许多发光点偏离了透镜的中央而造成送光效率不佳,因而“不够亮”。

  第三代:大功率阵列式LED第三代阵列式红外LED采用了革新的半导体技术,将高性能发光晶体阵列式排列,经过特殊封装,形成大功率发光二极管阵列(LED Array)。它首先由美国Pacific Cybervision公司开发生产,其每颗LED Array可集成60粒LED发光晶体,当时光学输出达到了800mw~1000mw。而目前,新一代的单个LED Array的光学输出己最高作到4000mW。它既有第二代红外LED灯的体积小,散热处理好,寿命长的优势,又解决了第二代红外LED光源因偏心而不够亮的缺点。这种大功率阵列式LED的价格接近或低于传统LED,是集第一代、第二代优点于一身,并完全避免了缺点的最新一代红外LED光源。

  第三种激光红外光源的光束细而强,要照亮一定范围的场景,需要通过扩束镜头扩束。这种光源应用的最大优势在于激光具有很高的发光效率、发光强度和方向性,其电光转换效率最高可达80%,从而可大大降低能耗,增加照明距离,目前多用于1km以上距离的监控场景的夜视照明。

  随着光电信息技术的发展,半导体激光器发展很快,由最初的同质PN结式,到异质结式、分布反馈式、量子阱式、垂直腔表面发射式、微腔式,以及光纤激光器与光子晶体激光器等等,发光功率由小到大,种类齐全,应有尽有,可供安防需要选择。一般,半导体红外激光器采用金属封装和专用电源,并通过先进的半导体温控技术使得产品始终在设定的合理温度下工作,寿命能够较好地得到保证。红外激光光源与配有长焦距镜头的摄像机组合,可以较好地实现夜间远距离监控。特别适合应用于国家边防、海防、森林防火、交通工程等大型项目。但由于工艺比较复杂、产量比较低,其价格比LED光源高;且激光灯功率过大对人身体健康有一定的副作用,因而需选择在安全值。

第三代红外光源的特点

  与前述的第一、二代红外LED相比,其主要特点是:

  体积小

  由于LED-Array为高度集成的LED,60粒LED发光晶体集成后的体积也只有指甲盖大小。单个LED的光学输出为5mw~15mw,而一个LEDArray的光学输出至少可达到1000mw以上。由于LED-Array为高度集成的LED,故体积比其他产品小很多。显然,体积小更便于应用,同时也简化了成本。

  亮度高

  它将几十个高效率和高功率的晶元通过革新的半导体技术封装在一个平面上,配置以良好的导热装置,使电光转换率达25%以上,是传统单颗LED灯的100倍。显然,亮度越高,光线的照射距离就越远,因而亮度的高低决定了光线的照射距离。由于LEDArray的亮度高,这就为中远距离红外摄像机的应用打下了良好基础。

  寿命长

  普通LED产品的寿命一般为6000个小时,而LED-Array的寿命为50000个小时。因此,其使用寿命是普通LED灯的9倍。普通的LED红外摄像机是将LED发光管和摄像机置于一个腔体内,LED管的热量无法通过PCB板得到有效散发,温度升高严重制约了CCD摄像机的使用寿命。通常在使用3个月后,便开始出现老化迹象:画面模糊、发白、对比度缺乏等,直接影响摄像机的使用效果,甚至使摄像机报废。而LED-Array灯的特殊封装使散热性能好,在2~3年内光线都无明显衰减,因而使用寿命长。

  效率高

  由于LED-Array的最大优势在于解决了LED光源散热的问题,因而具有极高的发光效率和发光强度,其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%,大大地降低了能耗、增加了照明距离。因为发光效率与散热性能是一个良性循环。散热性能越好,工作温度就越低,工作温度低又能更好的保障其发光效率。反之,则陷入效率不断衰减的恶性循环。而LED-Array经过特殊封装,有效解决了散热问题,使发光体时刻处于正常工作温度,在相当长的时间内可得到稳定的功率输出。此外,还可采用高频尖脉冲供电,以保证获得更高的效率。

  光线匀

  因每个普通的红外LED前面都有一个球面,用来改变光斑的大小,是一个独立的光学设计。当多个红外LED组合在摄像机镜头的周围后,发射出来的光线就是多个光斑重叠组成,重叠的部分就会亮度特别高,同时还形成一个圆圈,即“手电筒效应”,使夜视画面效果不均匀。而LED-Array相当于是一个大的点光源,发光体半功率为10度~120度(可变角)的发光面,且通过特殊的光学设计,在光路结构上使用非球面光学玻璃透镜,使投射光斑非常均匀地照射被监控物体,因而所得到的监控画面的中间和四周的亮度是一致的,大大提高了监控夜视画面的清晰度

第三代红外光源与红外激光光源的区别与比较

  第三代红外光源填补了第一代传统LED、第二代阵列式光衰快,使用寿命短,电光转换效能低,亮度不足,散热性能不良,功耗大等缺点,是全球红外夜视技术领域的新的突破。这种新一代的红外光源在产品性能与应用等方面与激光红外相比,也有明显的优势。它以先进的集成与独特的封装技术,类似单颗灯形式完全取代第2代多颗灯模式,不仅电光转化效率高,而且降低了功耗。又由于散热性能良好,使用寿命是激光红外与传统红外灯的4~5倍,因而必将广泛应用于安防视频监控市场。下面从以下几个方面看第三代红外光源与激光红外光源的区别与比较。

  (1)从发光原理上看:第三代红外LED光源是由于电子从高能带(导带)到低能带(价带)与空穴复合释放能量而发光;而半导体红外激光光源是通过泵源将较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上,使粒子分布反转受激辐射,并通过共振腔提供正反馈增益维持受激辐射的持续振荡。因此,激光器一般由激发装置(泵源)、工作物质及共振腔3部分组成,显然其结构比LED要复杂一些。

      ( 2 ) 从输入功率上看:第三代红外LED光源的输入功率可以从几瓦到几十瓦;而半导体红外激光光源在安防上一般用几瓦,最高只能到20瓦。

  ( 3 )从光束角度上看:第三代红外LED光源的发光体半功率角是10度~120度(可变角)的发光面,即光束角最大可达120度;而半导体红外激光光源发出的光束细而亮,其光束角小,需加装扩束透镜扩束才行。

  (4)从照射距离上看:第三代红外LED光源的照射距离根据功率的大小一般为几十米~几百米;而半导体红外激光光源的照射距离则一般可到1km以上。

  ( 5 )从散热性能上看:第三代红外LED光源经特殊封装散热处理较好,因而可用于各种类型摄像机,如可用于球机;而半导体红外激光光源因结构其散热处理上不适用于球机,所以有局限性。

  (6)从寿命上看:第三代红外LED光源采用独创的长晶技术,特殊设计有效解决光衰问题,其使用寿命是传统红外LED与激光红外的5~10倍,5年内光衰小于等于10%,而明显优于半导体红外激光光源。

  (7)从体积上看:第三代红外LED光源为高度集成的LED,60粒LED发光晶体集成后的体积也只有指甲盖大小;而半导体红外激光光源由于光束细要扩束,且扩束的角度越大,其体积就越大,因而体积比红外LED-Array光源要大些。

  (8)从成本上看:第三代红外LED光源由于结构简单,应用量巨大,所以可以大规模生产,从而能大大降低产品成本,因而价格较低;而半导体红外激光光源由于结构较复杂,且市场需求量偏小,使生产量明显偏低,因而产品成本较高。

  (9)从应用上看:第三代红外LED光源应用较广,特别适用于公安系统、社会治安监控、道路交通、银行、机场、博物馆、监狱、学校、住宅小区、商场等大大小小民用与工程市场;而半导体红外激光光源主要应用于国家边防、海防、军事基地、森林防火、防汛指挥、油田等远距离夜间监控。

  此外,半导体红外激光光源由于光束细而强,在功率大时易伤害人眼;并且由于要扩束,其光线的均匀性也比第三代红外LED光源差些。第三代红外LED光源与半导体红外激光光源的比较如表1所示。

 

 

  由表1可看出,这二种红外光源各有其优劣。LED-Array是高度集成的LED,其体积小、亮度高、寿命长、发光角度可调宽,是高质量夜间监控的一种理想选择。但目前仅适用于中、短距离场景的监控,对于1km以上的超远距离场景的监控,还是要选择红外LD光源。

第三代红外光源在安防监控中的应用

  由前可知,新一代阵列式红外光源LED-Array是高度集成的LED,其体积小、亮度高、寿命长、发光角度可调宽,是高质量夜间监控的一种理想选择。如国内某公司生产的三种新一代红外光源如图2所示。
 

 
 

  图2中,阵列式红外半球型光源;室内吸顶半球,内置12V DC电源;红外输出功率为1.7W;独立散热结构,功耗为2W;红外发射角90°;红外波长850nm,可视面积可达90m2;阵列式红外筒型光源;室内外通用,16颗大功率第三代光源芯片;12VDC/24VAC电源;独立散热结构;红外发射角30°;红外波长850nm,识别距离(可看清人的脸部)80m,可视距离可达150m;阵列式红外板型光源;室内外通用,12VDC/24VAC电源;红外输出功率为8.4W;独立散热结构;红外发射角30°;红外波长850nm,识别距离100m,可视距离可达200m。

  某公司生产的红外摄像机(光源与摄像机装在一起的)如图3所示。
 



 

  图3中,有1/3" Sony摄像机,独一无二的单点红外光源,功率小,发热少,亮度高;有15、30、45度发光角度搭配6mm~25mm镜头,一般在8mm以上基本无手电筒效应。某公司生产的红外摄像机(光源与摄像机分别安装的)如图4所示。


 
 

  图4是红外光源与摄像机分体设计,使高热的红外光源与摄像机机芯分居两个腔体。这样,光源导热体与机芯腔壁完全分开,光源工作时的热量只会从内部扇型导热体导向远离机芯一侧的外壁散热片,使之能迅速散去红外光源工作时的热量,以保证机芯工作在健康温度。显然,这种措施可保证机芯较低的工作温度,从而使机芯故障率远远低于第一、二代红外摄像机。图4中二个红外摄像机不是同一公司产品,右图的红外夜视一体机是筒形阵列红外光源; 1/3" SONYHAD CCD;可选多种中、长广角镜头; 120°/45°/30°/22°多种光学角度;是中、短矩离室内/外广角日夜监控首选;此外,新一代红外光源适用性强,还可以安装在球机与半球机中。总之,装有新一代红外光源的红外摄像机完全改变了夜视面貌,它不仅看得比较远,而且还可看得清。未来,加上智能化功能,即可确保夜晚的安全。

结束语

  以上介绍了新一代红外光源的特点,与红外激光源的比较及其应用。这种新兴光源的性价比大大优于目前行业主流的产品,它必将在夜视监控领域引起一场新的技术革命,并最大限度地满足不同应用领域对夜视监控的要求。随着光电信息技术的快速发展,随着安防夜视的要求越来越高,这种光源还将更进一步地更新,使之能完全满足网络化、集成化、高清化、智能化的要求。

关键字:红外摄像机  红外光源  阵列式  安防监控

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/0717/article_3875.html
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