紅(hóng)外燈的原理(lǐ)選擇與應用

一(yī)、概述

在電視(shì)監控系統工程中，過去很少應用紅(hóng)外燈，近年來(lái),不但(dàn)金(jīn)庫、油庫、軍械庫、圖書文獻庫、文物部門、監獄等重要部門采用，而且也(yě)在一(yī)般監控系統中都被采用。甚至居民(mín)小區電視(shì)監控工程也(yě)應用了(le)紅(hóng)外燈。這(zhè)說(shuō)明人(rén)們對電視(shì)監控系統工程的要求愈來(lái)愈規範、愈來(lái)愈高。不但(dàn)要求白天和夜間(jiān)可見光照明監控，而且要求夜間(jiān)隐蔽性監控。

随着電視(shì)監控系統工程技術的發展，購(gòu)買紅(hóng)外燈用戶的迅猛增加，也(yě)出現(xiàn)不少問題，例如(rú)：某用戶購(gòu)買了(le)十幾個(gè)紅(hóng)外燈，說(shuō)一(yī)個(gè)都不亮，經過詢問了(le)解才知道，他采用的是普通彩色攝像機，而普通彩色攝像機是不感受紅(hóng)外光的；有的用戶說(shuō)你們的紅(hóng)外燈達不到标稱的照射距離，經過了(le)解，他們缺乏紅(hóng)外燈對攝像機、鏡頭、防護罩和供電系統配套性要求的認識，在電視(shì)監控工程設計中沒有作(zuò)為(wèi)一(yī)個(gè)紅(hóng)外低(dī)照度低(dī)照度假夜視(shì)系統工程來(lái)總體(tǐ)考慮；有的用戶對紅(hóng)外燈自以為(wèi)了(le)解，自行增加DC12V紅(hóng)外燈供電電壓，以此增加紅(hóng)外燈的輻照功率，或采用不穩壓直流電源給DC12V紅(hóng)外燈供電造成紅(hóng)外燈燒毀；有的用戶反映它們按紅(hóng)外燈要求的照度選配了(le)攝像機，在紅(hóng)外燈标稱的照射距離内卻不能(néng)獲得清晰圖象，而不知有的攝像機生(shēng)産廠家給出的*低(dī)照度有水分(fēn)，或有意無意地使用了(le)含糊的*低(dī)照度概念，以所謂的靶面照度代替景物照度；此外，有的用戶對攝像機照度之外影響獲得清晰圖像的因素，如(rú)攝像機和鏡頭的标稱尺寸、鏡頭光圈F、焦距f、對攝像機功能(néng)要求等不十分(fēn)了(le)解。我們認為(wèi)現(xiàn)在向電視(shì)監控器(qì)材經銷商(shāng)、工程商(shāng)和用戶介紹一(yī)些(xiē)紅(hóng)外燈的原理(lǐ)、選擇和應用方法是有益的。

實現(xiàn)夜視(shì)的方法，可以采用常規的可見光照明，但(dàn)此法不僅不能(néng)隐蔽，反而更加暴露監控目标（在居民(mín)小區還有擾民(mín)問題）。隐蔽的夜視(shì)監控，目前都是采用紅(hóng)外攝像技術。紅(hóng)外攝像技術分(fēn)為(wèi)被動紅(hóng)外攝像技術和主動紅(hóng)外攝像技術。被動紅(hóng)外攝像技術是利用任何物質在**零度以上(shàng)都有紅(hóng)外光發射，人(rén)體(tǐ)和熱機發出的紅(hóng)外光較強，其它物體(tǐ)發出的紅(hóng)外光很微弱，利用特殊的紅(hóng)外攝像機可以實現(xiàn)夜間(jiān)監控。但(dàn)是，這(zhè)種特殊的紅(hóng)外攝像機造價昂貴，而且不能(néng)反映周圍環境狀況，因此在夜視(shì)系統中不被采用。在夜視(shì)系統中經常采用主動紅(hóng)外攝像技術，即采用紅(hóng)外輻?quot;照明"，産生(shēng)人(rén)眼看不見而普通攝像機能(néng)捕捉到的紅(hóng)外光，輻射"照明"景物和環境，應用普通低(dī)照度黑白攝像機、白天彩色夜間(jiān)自動變黑白攝像機或紅(hóng)外低(dī)照度彩色攝像機，感受周圍環境反射回來(lái)的紅(hóng)外光實現(xiàn)夜視(shì)。

二、紅(hóng)外燈的原理(lǐ)及其特性

光是一(yī)種電磁波，它的波長區間(jiān)從幾個(gè)納米（1nm=10-9m）到1毫米（mm）左右。人(rén)眼可見的隻是其中一(yī)部分(fēn)，我們稱其為(wèi)可見光，可見光的波長範圍為(wèi)380nm～780nm，可見光波長由長到短分(fēn)為(wèi)紅(hóng)、橙、黃(huáng)、綠(lǜ)、青、蘭、紫光，波長比紫光短的稱為(wèi)紫外光，波長比紅(hóng)外光長的稱為(wèi)紅(hóng)外光。

普通CCD黑白攝像機可以感受光的光譜特性，它不僅能(néng)感受可見光，而且可以感受紅(hóng)外光。這(zhè)就(jiù)是利用普通CCD黑白攝像機，配合紅(hóng)外燈可以比較經濟地實現(xiàn)夜視(shì)的基本原理(lǐ)。而普通彩色攝像機的光譜特性不能(néng)感受紅(hóng)外光，因此不能(néng)用于夜視(shì)。

紅(hóng)外燈按其紅(hóng)外光輻射機理(lǐ)分(fēn)為(wèi)半導體(tǐ)固體(tǐ)發光（紅(hóng)外發射二級管）紅(hóng)外燈和熱輻射紅(hóng)外燈兩種。其原理(lǐ)及特性我們介紹如(rú)下(xià)：

1. 紅(hóng)外發射二極管（LED）紅(hóng)外燈的原理(lǐ)及特性

由紅(hóng)外發光二級管矩陣組成發光體(tǐ)。紅(hóng)外發射二級管由紅(hóng)外輻射效率高的材料（常用砷化(huà)镓GaAs）制成PN結，外加正向偏壓向PN結注入電流激發紅(hóng)外光。光譜功率分(fēn)布為(wèi)中心波長830～950nm，半峰帶寬約40nm左右，它是窄帶分(fēn)布，為(wèi)普通CCD黑白攝像機可感受的範圍。其*大的優點是可以完全無紅(hóng)暴，（采用940～950nm波長紅(hóng)外管）或僅有微弱紅(hóng)暴（紅(hóng)暴為(wèi)有可見紅(hóng)光）和壽命長。

紅(hóng)外發光二極管的發射功率用輻照度μW/m2表示。一(yī)般來(lái)說(shuō)，其紅(hóng)外輻射功率與正向工作(zuò)電流成正比，但(dàn)在接近正向電流的*大額定值時(shí)，器(qì)件的溫度因電流的熱耗而上(shàng)升，使光發射功率下(xià)降。紅(hóng)外二極管電流過小，将影響其輻射功率的發揮，但(dàn)工作(zuò)電流過大将影響其壽命，甚至使紅(hóng)外二極管燒毀。

當電壓越過正向阈值電壓（約0.8V左右）電流開始流動，而且是一(yī)很陡直的曲線，表明其工作(zuò)電流對工作(zuò)電壓十分(fēn)敏感。因此要求工作(zuò)電壓準确、穩定，否則影響輻射功率的發揮及其可靠性。輻射功率随環境溫度的升高(包括其本身(shēn)的發熱所産生(shēng)的環境溫度升高)會使其輻射功率下(xià)降。紅(hóng)外燈特别是遠(yuǎn)距離紅(hóng)外燈，熱耗是設計和選擇時(shí)應注意的問題。

紅(hóng)外二極管的*大輻射強度一(yī)般在光軸的正前方，并随輻射方向與光軸夾角的增加而減小。輻射強度為(wèi)*大值的50%的角度稱為(wèi)半強度輻射角。不同封裝工藝型号的紅(hóng)外發光二極管的輻射角度有所不同。

2. 熱輻射紅(hóng)外燈的基本原理(lǐ)及其特性

熱輻射現(xiàn)象是極為(wèi)普通的,物體(tǐ)在溫度較低(dī)時(shí)産生(shēng)的熱輻射全部是紅(hóng)外光，所以人(rén)眼不能(néng)直接觀察到。當加熱500度左右時(shí)，才會産生(shēng)暗紅(hóng)色的可見光，随着溫度的上(shàng)升，光變得更亮更白。在熱輻射光源中通過加熱燈絲來(lái)維持它的溫度，供輻射繼續不斷的進行。維持一(yī)定的溫度而從外部提供的能(néng)量與因輻射而減少的能(néng)量達到平衡。

輻射體(tǐ)在不同加熱溫度時(shí)，輻射的峰值波長是不同的，其光譜能(néng)量分(fēn)布也(yě)是不同的。

根據以上(shàng)原理(lǐ)，經特殊設計和工藝制成的紅(hóng)外燈泡，其紅(hóng)外光成分(fēn)*高可達92～95%。國外生(shēng)産的這(zhè)種紅(hóng)外燈泡的技術性能(néng)為(wèi):

功率100～375W；電源電壓 230～250V；使用壽命5000小時(shí)、輻射角度60～80度。

普通黑白攝像機感受的光譜頻率範圍也(yě)是很寬的，且紅(hóng)外燈泡一(yī)般可制成比較大的功率和大的輻照角度，因此可用于遠(yuǎn)距離紅(hóng)外燈，這(zhè)是它*大的優點。其*大不足之處是包含可見光成份，即有紅(hóng)暴，且使用壽命短，如(rú)果每天工作(zuò)10小時(shí)，5000小時(shí)隻能(néng)使用一(yī)年多，考慮散熱不夠，壽命還要短。而對于客戶來(lái)講，更換燈泡是麻煩和不愉快(kuài)的事(shì)情。

在克服熱輻射紅(hóng)外燈缺點方面進行了(le)許多努力，首先是研制和應用了(le)高通紅(hóng)外濾波鋼化(huà)玻璃。波長愈長，紅(hóng)暴愈小，甚至可達到全無紅(hóng)暴，但(dàn)是，紅(hóng)外光的效率愈低(dī)，紅(hóng)外燈發熱就(jiù)愈高。紅(hóng)外玻璃的波長可根據用戶對紅(hóng)暴要求高低(dī)加以選擇，一(yī)般而言，相同有效輻照距離時(shí)，對紅(hóng)暴要求愈高，造價愈高。紅(hóng)外玻璃經過鋼化(huà)，可以耐受急冷急熱的變化(huà)，在内部紅(hóng)外燈泡由于可見光濾除的部分(fēn)，轉化(huà)産生(shēng)熱量，溫度會很高，外部冷風(fēng)及雨雪的突襲下(xià)，急冷?恢濾鸹怠Ｎ?岣呷确?浜焱獾頻氖倜??捎昧斯饪乜?氐缏罰?約跣∑涔ぷ魇奔洌徊捎昧吮溲刮妊拐?鞯缏罰?蠱浞⒐夤β實靡猿浞址⒒傭?姨岣吡撕焱獾頻氖倜?歡??匾?氖強悸塹撲坷渥枋欠淺Ｐ〉模??00W紅(hóng)外燈泡，燈絲熱阻為(wèi)529Ω，這(zhè)時(shí)的工作(zuò)電流隻有0.4348A，而冷阻隻有36Ω，紅(hóng)外燈接通電源瞬間(jiān)為(wèi)6.39A瞬時(shí)功達到1470W，這(zhè)一(yī)瞬間(jiān)燈絲負荷過載達幾十倍，這(zhè)對燈絲壽命有非常大的影響。人(rén)們研制的燈絲保護電路(lù)，相信紅(hóng)外燈燈泡的工作(zuò)壽命會成倍增長。此外，還增加了(le)延時(shí)開關(guān)電路(lù)以防環境的光幹擾。

三．紅(hóng)外燈的選擇和使用

紅(hóng)外燈的選擇*重要的問題是成套性，即紅(hóng)外燈與攝像機、鏡頭、防護罩、供電電源等的成套性。在設計方案時(shí)對所有器(qì)材綜合考慮設計，把它作(zuò)為(wèi)一(yī)個(gè)紅(hóng)外低(dī)照度夜視(shì)監控系統工程來(lái)考慮設計。有的人(rén)買完了(le)攝像機、鏡頭、防護罩、電源之後甚至安裝之後才去考慮購(gòu)買紅(hóng)外燈，這(zhè)是不正确的，在考慮成套性時(shí)，特别要注意以下(xià)幾個(gè)問題。

1. 使用黑白攝像機或特殊彩色攝像機

CCD圖象傳感器(qì)具有很寬的感光光譜範圍，其感光光譜不但(dàn)包括可見光區域，還延長到紅(hóng)外區域，利用此特性，可以在夜間(jiān)無可見光照明的情況下(xià)，用輔助紅(hóng)外光源照明也(yě)可使CCD圖象傳感器(qì)清晰的成像。而普通彩色攝像機為(wèi)了(le)能(néng)傳輸彩色信号，從CCD器(qì)件的輸出信号中分(fēn)離出綠(lǜ)藍紅(hóng)三種基色視(shì)頻信号，然後合成彩色電視(shì)信号，其感光光譜隻在可見光區域。

随着技術的進步出現(xiàn)白天彩色／晚上(shàng)黑白攝像機，它采用兩個(gè)CCD進行切換或采用一(yī)個(gè)CCD利用數位電路(lù)的切換來(lái)實現(xiàn)，但(dàn)是存在黑白照度偏高、有的對彩色色彩的不利影響等缺點。而紅(hóng)外低(dī)照度彩色攝像機紅(hóng)外感度比一(yī)般攝像機高4倍以上(shàng)，随着成本的降低(dī)，會成為(wèi)發展趨勢的。

2. 要求選用低(dī)照度攝像機

攝像機的*低(dī)照度是當被攝景物的光亮度低(dī)到一(yī)定程度而使攝像機輸出的視(shì)頻信号電平低(dī)到某一(yī)規定值時(shí)的景物光亮度值。測定此參數時(shí)，還應特别注明鏡頭的光圈F的大小。例如(rú)使用F1.2的鏡頭，

當被攝影景物的照度值低(dī)到0.02Lx時(shí),攝像機輸出的視(shì)頻信号幅值為(wèi)标準幅值700mv的50%-33%，則稱此攝像機的*低(dī)照度為(wèi)0.02Lx/F1.2。有的攝像機生(shēng)産廠家給出不同光圈F時(shí)的*低(dī)照度。當選擇攝像機*低(dī)照度高于紅(hóng)外燈要求時(shí)，

紅(hóng)外燈的有效距離将受到一(yī)定影響。應當提醒用戶的是市(shì)場(chǎng)上(shàng)出售的攝像機技術性能(néng)标出的*低(dī)照度有兩種不正常情況，一(yī)種是攝像機制造商(shāng)所标的*低(dī)照度是所謂的靶面照度，即CCD圖象傳感器(qì)上(shàng)的光照度，它比景物照度低(dī)10倍左右；另一(yī)種是有個(gè)别攝像機制造商(shāng)或銷售商(shāng)虛報(bào)*低(dī)照度。目前市(shì)場(chǎng)上(shàng)比較經濟的黑白攝像機（售價在700元左右，有的*低(dī)照度标為(wèi)0.01～0.02Lx）

它們的實際*低(dī)照度僅為(wèi)0.1～0.2Lx，

如(rú)果，使用的紅(hóng)外燈要求攝像機的*低(dī)照度為(wèi)0.02Lx，必然影響紅(hóng)外燈的有效照射距離，而購(gòu)買*低(dī)照度0.02Lux的攝像機，價格可能(néng)比0.1～0.2Lx攝像機*少高一(yī)倍左右。這(zhè)時(shí)有兩種選擇，在攝像機上(shàng)多花錢(qián)，在紅(hóng)外燈上(shàng)就(jiù)少花錢(qián)；在攝像機上(shàng)少花錢(qián),在紅(hóng)外燈上(shàng)就(jiù)多花錢(qián)。經驗表明室外特别是距離較遠(yuǎn)時(shí)，選擇前者是比較經濟的。

3. 要求攝像機的尺寸規格

攝像機标稱尺寸日趨小型化(huà)，目前市(shì)場(chǎng)上(shàng)的攝像機尺寸規格有1/2" 1/3" 1/4"，攝像機尺寸大,接受的光通量大,攝像機尺寸小,接受的光通量少,如(rú)紅(hóng)外燈标稱的有效距離是在1/2"攝像機條件下(xià)試驗的,如(rú)采用1/3"或者1/4"攝像機,有效距離也(yě)将受到一(yī)定影響。1/3"攝像機光通量隻有1/2"攝像機光通量的44%

4. 鏡頭的尺寸規格 與攝像機的尺寸規格同理(lǐ)，不再贅述

5. 攝像機和鏡頭的功能(néng)要求

攝像機有自動電子(zǐ)快(kuài)門功能(néng)，AGC自動增益控制功能(néng)，鏡頭有自動光圈，以适應晝夜照度很大的變化(huà)。

6. 電源供應

電視(shì)監控系統前端設備的電源供應要統一(yī)考慮設計。紅(hóng)外燈的電源供應，考慮到紅(hóng)外管的工作(zuò)電流對供電電壓十分(fēn)敏感，而電纜長度不同對直流電壓衰減不同。在多個(gè)紅(hóng)外燈距控制室的距離相差較大時(shí)，采用DC12V集中供電可能(néng)使距控制室近的紅(hóng)外燈供電電壓高，距控制室遠(yuǎn)的紅(hóng)外燈供電電壓低(dī)。加之電源電壓調整上(shàng)的偏差，可能(néng)造成電壓過高的紅(hóng)外燈壽命縮短甚至燒壞，電壓低(dī)的紅(hóng)外燈發射功率不足。因此建議(yì)盡可能(néng)采用AC220V供電或配一(yī)對一(yī)的直流穩壓電源，這(zhè)種直流穩壓電源有的在電網電壓波動在AC100V-245V時(shí)輸出直流電壓都是穩定的，保證紅(hóng)外燈紅(hóng)外輻射功率都是穩定可靠的。

除配套性外，還要考慮到以下(xià)因素，選擇紅(hóng)外燈時(shí)，在選擇紅(hóng)外燈輻照距離時(shí)留有餘地。

1.攝像機給出的*低(dī)照度。這(zhè)裏的*低(dī)照度概念是什(shén)麽？攝像機産生(shēng)的視(shì)頻信号标稱值為(wèi)1V，标準值為(wèi)0.7V，而*低(dī)照度時(shí)的視(shì)頻信号值為(wèi)1/3-1/2标準植。所以攝像機在*低(dī)照度時(shí)的圖像，決不會"如(rú)同白晝一(yī)樣"。

2.攝像機在*低(dī)照度時(shí)産生(shēng)的圖像清晰度，是用電視(shì)信号測試卡進行測式的，其黑白相間(jiān)的條紋，要求黑色反射率近于0%，白色反射率大于89.9%。而我們在現(xiàn)場(chǎng)觀察時(shí)有時(shí)不具備這(zhè)樣的條件，比如(rú)：樹葉和草地的反射率很低(dī)，反差很小，就(jiù)不易獲得清晰圖像。

3.給出攝像機*低(dī)照度的同時(shí)，還要給出光圈F的要求值，而變焦鏡頭一(yī)般隻給出1：F的*大值，即光圈F的*小值（光圈實際尺寸*大值），F=f/D,那麽D為(wèi)定值，在f焦距拉大10倍時(shí)，F變得很大（即光圈實際尺寸變得很小）。光通量将受到很大影響。

4.在使用自動光圈鏡頭、自動增益控制或自動電子(zǐ)快(kuài)門攝像機時(shí)，鏡頭光圈F值也(yě)會發生(shēng)變化(huà)。例如(rú)，在攝像機近處有景物，反射回強光給攝像機，或附近有燈光照射攝像機，這(zhè)時(shí)攝像機的靈敏度将減小、自動光圈的尺寸将被關(guān)小，光通量也(yě)将受到很大影響。

5.防護罩對紅(hóng)外燈的效果也(yě)有影響，紅(hóng)外光在傳輸過程中，通過不同介質，透射率和反射率也(yě)不同。不同的視(shì)窗玻璃，，特别是自動除霜鍍膜玻璃，對紅(hóng)外光的衰減也(yě)不同。

6.有的器(qì)材生(shēng)産或銷售商(shāng)，不給出紅(hóng)外燈的輻照距離，隻給出功率數，這(zhè)樣對生(shēng)産、銷售商(shāng)來(lái)說(shuō)麻煩可能(néng)少一(yī)些(xiē)，但(dàn)是這(zhè)是非常含糊的概念，因為(wèi)功率消耗除轉化(huà)為(wèi)紅(hóng)外光能(néng)外，還有電源熱損耗、電路(lù)熱損耗、光源熱損耗、濾光玻璃片紅(hóng)外光效率等等。相同功率的紅(hóng)外燈，其輻照距離可能(néng)相差很遠(yuǎn)。

随着紅(hóng)外夜視(shì)系統的迅速發展，紅(hóng)外燈生(shēng)産供應廠家也(yě)會增加，但(dàn)紅(hóng)燈産品并非象有的人(rén)想象的那樣容易，在技術、檢測儀器(qì)設備等方面條件也(yě)不同，希望用戶多多加比較，慎重選擇。

用戶使用紅(hóng)外燈首先要仔細閱讀使用說(shuō)明書，特别是為(wèi)保證人(rén)身(shēn)設備安全的注意事(shì)項。檢查前面所講述的配套性方面是否達到要求，應考慮到的影響因素是否考慮到，如(rú)未達到要求，可及時(shí)調整所用器(qì)材。

用戶不應擅自提高供電電壓，因為(wèi)紅(hóng)外燈在設計時(shí)，既考慮到其輻照度的充分(fēn)發揮，又考慮到其安全可靠性。提高供電電壓，可能(néng)使紅(hóng)外燈燒毀，更不應擅自拆改紅(hóng)外燈。如(rú)果這(zhè)樣做，生(shēng)産廠家可能(néng)不再負責維修。如(rú)果紅(hóng)外燈出現(xiàn)問題，應與生(shēng)産廠家或供貨商(shāng)聯系。