新一代阵列式红外光源及其在安防监控中的应用

新一代阵列式红外光源及其在安防监控中的应用

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。

电磁波谱及波段划分如图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0.78 g m-1.5 g m的光为近红外光；波长从1.5 g m-10g m的光为中红外光；波长从10g m^1000g m 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)直接使用白炽灯或氙灯发出的红外光，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%勺份额。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800m时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