淺析幾種紅外光源的比較與選擇
近年來(lái)，人們對(duì)電視監(jiān)控系統(tǒng)工程的要求愈來(lái)愈規(guī)范、愈來(lái)愈高。不但要求白天可見(jiàn)光照明監(jiān)控，而且要求夜間隱蔽性監(jiān)控。傳統(tǒng)的照明燈光經(jīng)常會(huì)引起別人的注意，提醒入侵者“裝有電視監(jiān)控統(tǒng)”,或者會(huì)影響周?chē)淖?hù)，而安裝紅外光源則不存在這些問(wèn)題。普通可見(jiàn)光的波長(zhǎng)是380nm~780nm，而紅外光是一種波長(zhǎng)大于780nm的不可見(jiàn)光。
一般，產(chǎn)生這種紅外光的方法有三種：
1、直接使用白熾燈或氙燈發(fā)出的紅外光，即在這兩種燈上安裝可見(jiàn)光濾鏡，即濾去可見(jiàn)光，只讓看不見(jiàn)的紅外射線射出；
2、使用紅外發(fā)光二極管LED或LED陣列來(lái)產(chǎn)生紅外光。這種器件是通過(guò)半導(dǎo)體中的電子與空穴復(fù)合來(lái)產(chǎn)生紅外光的；
3、使用紅外激光二極管LD，也可作紅外光源。但它要把處于較低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上去，通過(guò)大量粒子分布反轉(zhuǎn)、共振而維持受激輻射。
前兩種方法都能生成或窄或?qū)挼墓馐Ｔ谑褂脤?duì)紅外線較為敏感的攝像機(jī)，如固態(tài)CCD或CMOS攝像機(jī)、低照度增強(qiáng)型攝像機(jī)觀察場(chǎng)景時(shí)，可以獲得質(zhì)量相當(dāng)高的圖像。
第三種光源的光束細(xì)而強(qiáng)，要照亮一定范圍的場(chǎng)景，需要通過(guò)擴(kuò)束鏡頭擴(kuò)束。這種光源在安防市場(chǎng)資料上還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，目前多用于1km以上距離監(jiān)控場(chǎng)景的夜視照明。
下面將簡(jiǎn)介這三種紅外光源的原理、特性，以及它們的比較與使用選擇，供設(shè)計(jì)與使用者參考。
通常，物體在溫度較低時(shí)產(chǎn)生的熱輻射全部是紅外光，所以人眼不能直接觀察到。當(dāng)加熱到5000C時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生暗紅色的可見(jiàn)光，隨著溫度的上升，光變得更亮更白。在熱輻射光源中通過(guò)加熱燈絲來(lái)維持它的溫度，供輻射繼續(xù)不斷地進(jìn)行。輻射體在不同加熱溫度時(shí)，輻射的峰值波長(zhǎng)是不同的，其光譜能量分布也不同。根據(jù)以上原理，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)和工藝制成的紅外燈泡，其紅外光成分zui高可達(dá)92～95%。
紅外燈泡zui大的優(yōu)點(diǎn)是可制成比較大的功率和輻照角度，因此照射的距離遠(yuǎn)。其zui大不足之處是包含可見(jiàn)光成份，即有紅暴，且使用壽命短。如果每天工作10小時(shí)，5000小時(shí)只能使用一年多，若考慮散熱不夠，壽命還要短。為提高熱輻射紅外燈的壽命，采用了光控開(kāi)關(guān)電路，以減小其工作時(shí)間。此外，還增加了延時(shí)開(kāi)關(guān)電路以防環(huán)境光干擾。
一般，氙燈和白熾燈可以照亮距離攝像機(jī)一百多米外的場(chǎng)景，因此，在其前端配一個(gè)只讓紅外線通過(guò)的濾鏡，*可以為隱蔽式電視監(jiān)控系統(tǒng)提供足夠的紅外射線。由于這種熱紅外光源要消耗大量的能量，產(chǎn)生大量的熱，所以這種光源需要配備特制的散熱器或空氣冷卻設(shè)備，才可以使其能夠持續(xù)工作。
另外，還有一種特別的配置，它使用鹵鎢燈作為系統(tǒng)的光源，同時(shí)還使用了一種*的濾光和冷卻技術(shù)。這套照明系統(tǒng)中裝有薄漠式雙向光學(xué)涂層（光束分割器）和濾光器，它可以將近紅外光傳到燈的前面，以形成紅外光束；而可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外光則被擋回?zé)舻暮蟛浚⒃谀抢锉煌鈿の铡Ｍ鈿な且粋€(gè)的散熱器，可以很快地將產(chǎn)生的熱量散走。這種系統(tǒng)可以在高溫環(huán)境中連續(xù)工作，而不需要配備專(zhuān)門(mén)的冷氣扇。
此外，還可使用拋物面形鍍鋁反射器PAR 56密封鹵鎢燈泡，作出500瓦紅外光源。這種PAR 56燈的燈絲在約為3000K的溫度下工作，其平均使用壽命為2000~4000小時(shí)（取決于工作時(shí)的溫度）。反射器內(nèi)表面上雙向光學(xué)涂層和前折射鏡頭，是由多層二氧化硅和*構(gòu)成的。除干涉濾鏡外，在鹵鎢燈和鏡頭涂層之間，還有一個(gè)石英基的屏蔽層——“冷鏡”，以控制燈絲發(fā)出的可見(jiàn)光。燈和前鏡頭之間有一個(gè)可見(jiàn)光吸收濾鏡，它對(duì)波長(zhǎng)小于780nm的光線（包括全部的可見(jiàn)光部分），且傳輸率只有0.1%。整個(gè)系統(tǒng)的濾光效果可以保證只有紅外線才能離開(kāi)燈的前表面，而可見(jiàn)光和長(zhǎng)波紅光就無(wú)法射出。因此，人的眼睛根本就看不到這種燈具所發(fā)出的光。熱紅外光源照明系統(tǒng)，通過(guò)配用不同的前鏡頭，可以發(fā)出用于覆蓋較大范圍場(chǎng)景的寬光束或用于觀察遠(yuǎn)處目標(biāo)的聚光光束等不同形狀的光束，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的具體需要。表1列舉了常用紅外燈的類(lèi)型，以及它們的水平和垂直光束角。光束角zui窄可以達(dá)到10度，zui寬則可以達(dá)到60度。
表1 紅外光源的光束角
光源的類(lèi)別 燈的種類(lèi) 輸入功率及電壓 光束角（度） 照射距離（m）
寬泛光燈 帶濾鏡的鹵鎢白熾燈 100W 水平60/垂直60 9.1
聚光燈 帶濾鏡的鹵鎢白熾燈 100W 水平10/垂直10 61.0
寬泛光燈 帶濾鏡的鹵鎢白熾燈 500W 水平40/垂直16 27.4
聚光燈 帶濾鏡的鹵鎢白熾燈 500W 水平12/垂直8 137.2
泛光燈 帶濾鏡的弧氙燈 400W、交流 40 152.4
聚光燈 帶濾鏡的短弧氙燈 400W、交流 12 457.2
泛光燈 發(fā)光二極管（TaAs） 50W（直流12V） 30 61.0
泛光燈 發(fā)光二極管（TaAs） 8W（直流12V） 40 21.3
注：1、發(fā)光二極管發(fā)出的是850nm以上的不可見(jiàn)紅外光；
2、鹵鎢燈和氙弧燈使用的濾鏡是可見(jiàn)光阻隔濾鏡。
紅外發(fā)光二極管（LED）光源
LED是發(fā)光二極管（Light Emitting Diode）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種注入式電致發(fā)光器件，它主要由P型和N型半導(dǎo)體材料組合而成。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示（見(jiàn)圖1）。實(shí)際是將PN結(jié)管芯燒結(jié)在金屬或陶瓷底座有引線的架子上，然后四周用起到保護(hù)內(nèi)部芯線作用的環(huán)氧樹(shù)脂密封就可構(gòu)成。
這種LED燈的發(fā)光原理是：在半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，使電子和空穴載流子在結(jié)區(qū)相遇復(fù)合（結(jié)區(qū)變窄），其實(shí)質(zhì)是電子從高能級(jí)的導(dǎo)帶釋放能量回到價(jià)帶與空穴復(fù)合，這種把多余的能量以光子的形式釋放出來(lái)，就把電能直接轉(zhuǎn)換成了光能，即發(fā)光。根據(jù)半導(dǎo)體物理中的公式
入 ＝ 1240/Eg （1）
式中，Eg為某半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的禁帶寬度，其單位為電子伏特；入為波長(zhǎng)，式中的單位為nm。當(dāng)采用砷化鎵半導(dǎo)體（當(dāng)然也還有其他材料的半導(dǎo)體）時(shí)，其禁帶寬度Eg，決定它只能發(fā)出近紅外光。
砷化鎵LED的電源線共有兩根，在加正向電壓通電后，即會(huì)發(fā)出紅外光，光線經(jīng)過(guò)前端球形鏡頭的放大后就會(huì)射到場(chǎng)景中去。要想照亮一定距離的場(chǎng)景，常常需要幾十、幾百個(gè)LED構(gòu)成的平面式陣列。發(fā)光二極管陣列的發(fā)光量，是全部發(fā)光二極管發(fā)光量的總和。因此，可根據(jù)場(chǎng)景的情況，尤其距離的遠(yuǎn)近來(lái)配備LED的多少。各個(gè)發(fā)光二極管的紅外光輸出合并起來(lái)，就可以產(chǎn)生足夠多的光線，使其足以照亮被監(jiān)視的現(xiàn)場(chǎng)，從而使得固態(tài)CCD攝像機(jī)可以產(chǎn)生高質(zhì)量的黑白視頻圖像。
LED的zui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zui大值50%的角度時(shí)，稱(chēng)為半強(qiáng)度輻射角。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。
這種發(fā)光器件和白熾燈泡相比，有體積小、耐沖力、壽命長(zhǎng)、功耗低、響應(yīng)快、可靠性高、顏色鮮明、易和集成電路匹配等特點(diǎn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。
目前，隱蔽式監(jiān)控系統(tǒng)中使用zui普遍的照明燈具，多是半導(dǎo)體砷化鎵發(fā)光二極管陣列組成的紅外燈。因?yàn)樯榛墸℅aAs）LED只發(fā)出近紅外光，所以這種燈可以發(fā)出窄帶紅外光，絕不會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光。它的光轉(zhuǎn)換效率也相當(dāng)高，一般可以將50%的電能轉(zhuǎn)換成紅外光輻射能量。這種燈在略高于室溫的溫度下工作時(shí)，幾乎不發(fā)熱，因此也就不需要特別的冷卻裝置。
尤其現(xiàn)在可使用的美國(guó)Pacific Cybervision公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的陣列式集成發(fā)光芯片LED Array。其一個(gè)LED-Array的光學(xué)輸出達(dá)到了800mw～1000mw，成為普通LED的換代產(chǎn)品,LED-Array的發(fā)光半功率角為10～120°（可變角）。由于LED-Array為高度集成的LED，且體積只有一個(gè)一分錢(qián)硬幣的大小，在室內(nèi)可均勻照亮全部空間,其壽命為50,000個(gè)小時(shí)。它zui初是運(yùn)用在航空飛機(jī)上面，近年來(lái)由于民用夜間監(jiān)控市場(chǎng)的發(fā)展，LED-Array才逐步走向民用市場(chǎng)，成為高質(zhì)量夜間監(jiān)控的一種理想選擇。
此外，還可將紅外發(fā)光二極管裝在鏡頭上，與黑白CCD攝像機(jī)配用，或直接裝在攝像機(jī)與鏡頭接口周?chē)臋C(jī)殼上。顯然，這兩種裝配的紅外LED少，其照射的距離肯定不如單獨(dú)的紅外LED燈照射的遠(yuǎn)。
紅外激光二極管（LD）光源
半導(dǎo)體激光器是一種新型的發(fā)光器件，和上述光源相比，它有方向性強(qiáng)、單色性好、相干性好、亮度高等突出優(yōu)點(diǎn)。但是，要得到激光必須滿(mǎn)足3個(gè)基本條件：
1、要把處于較低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上去，為此需要泵源；
2、要有大量粒子分布反轉(zhuǎn)，使受激輻射足以克服損耗；
3、要有一個(gè)共振腔提供正反饋及增益，用以維持受激輻射的持續(xù)振蕩。
根據(jù)產(chǎn)生激光所必須滿(mǎn)足的要求，激光器一般由激發(fā)裝置（泵源）、工作物質(zhì)及共振腔三部分組成。半導(dǎo)體激光二極管，即PN結(jié)型激光器的結(jié)構(gòu)如圖2所示（見(jiàn)圖2）。它為常用的法布里-泊羅共振腔。
半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)種類(lèi)很多，其中GaAs是*種有激光作用的半導(dǎo)體材料。由于對(duì)它進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的深入研究，使GaAs激光得到了較為廣泛的應(yīng)用。其它Ⅲ-Ⅴ族化合物激光器的性質(zhì)與GaAs相似，Ⅳ-Ⅵ族化合物如PbSePbTe、PbS等也都有激光作用。適當(dāng)選擇這些材料，可得到不同頻率的激光。
首先將工作物質(zhì)制成PN結(jié)并切成長(zhǎng)方塊。為實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，結(jié)區(qū)的兩側(cè)都要求是重?fù)诫s半導(dǎo)體材料，雜質(zhì)濃度一般為1018~1019cm-3，使費(fèi)米能級(jí)分別進(jìn)入導(dǎo)帶及價(jià)帶內(nèi)。在圖2中，左右兩側(cè)是二極管的輻射輸出端面。由一對(duì)相互平行的解理面或拋光面構(gòu)成，并與結(jié)平面垂直，這對(duì)平面夠成了端部反射器。其余的前后兩面是粗糙的，用來(lái)消除主要方向以外的激光作用。這種結(jié)構(gòu)就叫法布里-泊羅共振腔。然后焊上引出線，供給二極管的電流從引線流向散熱器。
結(jié)型半導(dǎo)體激光器所有的半導(dǎo)體材料是重?fù)诫s半導(dǎo)體，平衡態(tài)時(shí)，P區(qū)價(jià)帶頂沒(méi)有電子，N區(qū)導(dǎo)帶底有高的電子濃度。當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓后，勢(shì)壘降低。由于勢(shì)壘降低，大量電子由N區(qū)越過(guò)勢(shì)壘與P區(qū)的空穴復(fù)合，發(fā)射出能量等于hυ的光子。空穴也可由P區(qū)流入N區(qū)與電子復(fù)合發(fā)射光子。當(dāng)外加電壓足夠大（qV≥Eg），使hυ≥Eg時(shí)，勢(shì)壘區(qū)和其兩側(cè)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)將出現(xiàn)一個(gè)分布反轉(zhuǎn)區(qū)，這就是發(fā)射激光的工作區(qū)。再加上端面反射反饋便會(huì)產(chǎn)生激光。
由于半導(dǎo)體PN結(jié)（同質(zhì)結(jié)）激光器在室溫下閾值電流很高，不能實(shí)現(xiàn)室溫下的連續(xù)振蕩，這在很大程度上限制了它的應(yīng)用。為了降低激光器在室溫下的閾值電流，實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)振蕩，在較窄禁帶寬度材料的兩側(cè)加上較寬禁帶寬度的材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，以限制載流子。由于這種限制作用，增加了結(jié)區(qū)載流子濃度，從而提高了受激輻射的效率。
半導(dǎo)體單異質(zhì)結(jié)激光器在低溫下閾值電流密度與同質(zhì)結(jié)差不多，但在溫度變化時(shí)，異質(zhì)結(jié)激光器的閾值隨溫度的變化較小，如室溫下的閾值電流密度可降至8000A/cm2，但也只能實(shí)現(xiàn)室溫下的脈沖振蕩。為進(jìn)一步降低閾值電流，實(shí)現(xiàn)室溫下的連續(xù)振蕩，又研制了雙異質(zhì)結(jié)激光器。
半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)激光器的結(jié)構(gòu)是GaAs的一側(cè)為N型AlxGa1-xAs，另一側(cè)為P型AlxGa1-xAs。作用區(qū)兩側(cè)具有對(duì)稱(chēng)性，因而激光作用區(qū)在N型或P型處皆可。以P型為例，加正向偏壓時(shí)，電子注入作用區(qū)到達(dá)P-GaAs和P-AlxGa1-xAs界面，受到勢(shì)壘的阻擋而返回，不能進(jìn)入P型AlxGa1-xAs層中去，從而增加了P型GaAs層中的電子濃度，提高了增益。又由于N型AlxGa1-xAs與P型GaAs之間的勢(shì)壘避免了單異質(zhì)結(jié)激光器存在的空穴注入現(xiàn)象，使工作區(qū)電子、空穴濃度更大，復(fù)合幾率增加。另外，由于兩個(gè)界面處折射率都發(fā)生較大突變，所以光子被更有效地限制在作用區(qū)內(nèi)。因此，雙異質(zhì)結(jié)激光器的閾值電流進(jìn)一步降低到1000~3000A/cm2，實(shí)現(xiàn)了室溫下的連續(xù)振蕩。實(shí)驗(yàn)證明，閾值電流隨溫度的變化也較小。
目前，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器的主要改進(jìn)方向是進(jìn)一步降低閾值電流密度和提率，以及獲得與固體和氣體激光器相近的光束相干性和方向性。
由于半導(dǎo)體激光器的亮度高、價(jià)格貴，一般在1km以上的遠(yuǎn)距離監(jiān)控場(chǎng)景才采用。
幾種紅外光源的比較與選擇
三種紅外光源的特性比較如表2所示。
表2、三種紅外光源的特性比較
類(lèi)別 發(fā)光原理 輸入功率 光束角度 照射距離 體積 成本 應(yīng)用
熱紅外光源 燈絲加熱加濾光片發(fā)紅外光 幾百W 10o～60o 幾百m 大 高 較少
紅外LED 電子空穴復(fù)合發(fā)光 幾W～幾十W 陣列達(dá)幾十度 幾十～幾百m（陣列） 中低 廣泛
紅外LD 諧振激發(fā)發(fā)光 幾W 小，需擴(kuò)束 1km以上 小 高 多軍用
由表2可看出，這三種紅外光源各有其優(yōu)劣。開(kāi)始使用紅外光源時(shí)，由于紅外LED的功率小、價(jià)格也較貴，因而多使用熱紅外光源。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，紅外LED的功率增大、價(jià)格下降，因此使用紅外LED的越來(lái)越多。尤其現(xiàn)在可使用LED-Array，它是高度集成的LED，其體積小、亮度高、壽命長(zhǎng)、發(fā)光角度可調(diào)寬，是高質(zhì)量夜間監(jiān)控的一種理想選擇。
雖然，紅外LED及LED-Array淘汰了熱紅外光源，但對(duì)于1km以上的超遠(yuǎn)距離場(chǎng)景的監(jiān)控，還是要選擇紅外LD光源。
值得指出的是，紅外光源的選擇zui重要的問(wèn)題是成套性，即紅外燈與攝像機(jī)、鏡頭、防護(hù)罩、供電電源等的成套性。在設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)對(duì)所有器材綜合考慮設(shè)計(jì)，把它作為一個(gè)紅外低照度夜視監(jiān)控系統(tǒng)工程來(lái)考慮設(shè)計(jì)。
除配套性外，還要考慮到以下因素，選擇紅外燈時(shí)，在選擇紅外燈輻照距離時(shí)留有余地。在使用紅外燈時(shí)我們應(yīng)選用黑白攝像機(jī)或是日夜兩用攝像機(jī)（即彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)），同時(shí)對(duì)攝像機(jī)的照度要求一般為0.02Lux。并且這臺(tái)攝像機(jī)要有自動(dòng)電子快門(mén)功能，AGC自動(dòng)增益控制功能。還有所選用的鏡頭是紅外鏡頭，有自動(dòng)光圈，以適應(yīng)晝夜照度很大的變化。
此外，在選擇紅外光源時(shí)，還要注意其發(fā)熱與散熱問(wèn)題，要注意選擇紅外燈的供電與燈板分開(kāi)的紅外光源，并且，還必須要有光控開(kāi)關(guān)，紅外燈只有在夜間才打開(kāi)。
結(jié)語(yǔ)
由上可知，三種紅外光源各有其優(yōu)劣，但熱紅外光源基本被紅外LED及LED-Array光源所淘汰。因?yàn)橛肔ED-Array也*可照射到幾百米監(jiān)控場(chǎng)景的距離。至于1km以上的超遠(yuǎn)距離的監(jiān)控場(chǎng)景，還是應(yīng)選用紅外LD光源為好，因?yàn)樗牧炼雀撸粋€(gè)LD頂好多LED，且體積小、重量輕，是超遠(yuǎn)距離的*選擇。
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