基于紅外線的攝像機的原理

攝像機在日常生活中處處可見，但是攝像機普遍使用紅外攝像機，但是有多少人知道他的原理呢，下面我們來說一說紅外攝像機的原理以及如何選擇。

一、紅外基本原理介紹

光是一種電磁波，它的波長區(qū)間從幾個納米(1nm=10-9m，十億分之一米)到 1 毫米(mm)左右。人眼可見的只是其中一部分，我們稱其為可見光，可見光的波長范圍為 380nm ～ 780nm，可見光波長由長到短分為紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫光。其中波長比紅光長的稱為紅外光，波長為1毫米到770納米之間，光譜上面在紅色光的外側(cè)。

自然界任何物體在絕對零度(-273°C)以上都有紅外光發(fā)射，利用這個原理，人們發(fā)明了被動紅外攝像技術(shù)。被動紅外攝像技術(shù)主要通過探測目標物體的紅外輻射，并通過光電轉(zhuǎn)換、信號處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的設備。由于它只是感應物體溫度的分布，并不能很好的區(qū)分物體的細節(jié)。目前主要用于目標物特征分析、熱傳導研究、地表/海洋熱分布研究等。

主動紅外攝像技術(shù)是利用特制的“紅外燈”人為產(chǎn)生紅外輻射，發(fā)出紅外光去照射物體，利用成像元件(CCD或CMOS)去感受周圍環(huán)境反射回來的紅外光，從而實現(xiàn)夜視功能。

二、 紅外燈的分類及特點

紅外燈按紅外光輻射機理分為半導體固體發(fā)光(LED紅外燈，激光紅外燈)和紅外線燈或熱輻射紅外燈兩類。

a.紅外發(fā)射二極管( LED )紅外燈的原理及特性

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)制成 PN 結(jié)，外加正向偏壓向 PN 結(jié)注入電流激發(fā)紅外光。光譜功率分布為中心波長 830 ～ 950nm，半峰帶寬約40nm 左右，它是窄帶分布，為普通 CCD 黑白攝像機可感受的范圍。其最大的優(yōu)點是可以完全無紅暴，(采用940 ～ 950nm 波長紅外管)或僅有微弱紅暴(紅暴為有可見紅光)，壽命長。

圖1 紅外LED燈攝像機

紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率用輻照度μ W/m2 表示。一般來說，其紅外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，器件的溫度因電流的熱耗而上升，使光發(fā)射功率下降。紅外二極管電流過小，將影響其輻射功率的發(fā)揮，但工作電流過大將影響其壽命，甚至使紅外二極管燒毀。

當電壓越過正向閾值電壓(約 0.8V 左右)電流開始流動，而且是一很陡直的曲線，表明其工作電流對工作電壓十分敏感。因此要求工作電壓準確、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 ) 會使其輻射功率下降。紅外燈特別是遠距離紅外燈，熱耗是設計和選擇時應注意的問題。

b.點陣紅外燈的原理及特性

陣列紅外夜視技術(shù)，本質(zhì)還是通過攝像機發(fā)射主動紅外光波的方式實行夜視效果，但采用了先進的封裝技術(shù)，將幾十個高功率、高效率的紅外晶元封裝在一個平面上。

陣列紅外攝像機在監(jiān)控領(lǐng)域中應用的最大優(yōu)勢在于解決了LED光源散熱的問題，具有極高的發(fā)光效率和發(fā)光強度，光電轉(zhuǎn)換效率比普通紅外LED攝像機提高了25%左右，效率可達到45%，大大的降低能耗，增加照明距離，同時延長了攝像機的使用壽命，陣列紅外夜視攝像機的使用壽命一般為普通紅外攝像機使用壽命的9倍。

c.激光紅外燈的原理及其特性

激光紅外燈屬于半導體激光器是利用半導體材料，在空穴和電子復合的過程中電子能級的降低而釋放出光子來產(chǎn)生光能的，然后光子在諧振腔間產(chǎn)生諧振規(guī)范光子的傳播方向而形成激光。激光紅外燈通常選用810nm半導體激光器。810nm 屬近紅外，和可見光中的紅光波長接近，CCD對810nm波長有比較好的感應。

激光有如下明顯優(yōu)勢：(1)方向性：激光器發(fā)射的光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散角小，接近于理想平行光;(2)單色性：激光的光譜寬度非常的小，是幾個納米量級。所以其具有良好的單色性光源;(3)亮度高，能量密度大;(4)激光電能到光能的轉(zhuǎn)化效率高，電光轉(zhuǎn)換效率至少55%， LED燈電光轉(zhuǎn)換率最高只能達到20%。故激光比較適合做窄角度，遠距離監(jiān)控照明使用，但激光目前造價比普通LED會高很多，使用范圍受到很大限制，相信隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，激光成本減低的同時，在照明方面會得到更寬廣的應用。

d.熱輻射紅外燈的原理與特點：

熱輻射現(xiàn)象是極為普通的。物體在溫度較低時產(chǎn)生的熱輻射全部是紅外光，所以人們不能直接觀察到。當加熱到500℃左右時，才會產(chǎn)生暗紅色的可見光，隨著溫度的上升，光變得更亮更白。在熱輻射光源中，通過加熱燈絲來維持它的溫度，以此來保證輻射不斷的進行。輻射體在不同溫度時，輻射出的峰值波長是不同的，其光譜能量的分布也是不同的。根據(jù)上述原理，經(jīng)過特殊設計和特殊工藝制成的紅外燈泡，其紅外光成分可達92-95%。國外生產(chǎn)的紅外燈，功率可達100-375W，使用壽命可達2000-5000d小時，輻射角可達60-80°。紅外燈發(fā)射的紅外光譜范圍很寬，波長在800-2500nm之間，這與普通黑白攝像機感受的寬光譜范圍相一致。熱輻射紅外燈的最大優(yōu)點是可以做到大功率、大輻射角，比較適合遠距離大場面的場所使用。其缺點是有紅暴，壽命短，按每天使用10小時計算，最大壽命5000小時，也只能使用一年多一點的時間。

三、使用紅外技術(shù)應該注意的問題

紅外燈的選擇最重要的問題是紅外燈與攝像機、鏡頭、供電電源等成套性。正確的做法應該是在設計方案時對所有的器材統(tǒng)一考慮，將它看作是一個紅外低照度夜視監(jiān)控系統(tǒng)工程要求進行設計，而不能在安裝完攝像機、鏡頭、防護罩和電源之后，再去考慮紅外燈。

(1)首先要使用感紅外的攝像機：

其實CCD是全光譜器件，所有光都可以感應到的，但紅外光對彩色CCD會造成偏色影響，故目前市面上普通彩色攝像機加了不感紅外的濾光片濾除了紅外光。目前市場中彩色紅外攝像機有兩種做法，采用雙峰單濾光片和白天夜晚切換不同濾光片的方法。采用雙峰單濾光片是在濾光片上鍍顆同時透過可見光和紅外光的鍍膜，這種缺點是紅外光可以透過，白天會對彩色圖像色彩造成偏色;電子閥切換不同濾光片的方法，白天用不感紅外的濾光片，夜晚時切換可透過紅外光的濾光片來感應紅外燈發(fā)出的紅外光成像。

(2)鏡頭的選擇

首先要注意攝像機CCD或CMOS的尺寸，目前攝像機感光芯片主流尺寸為1/2， 1/3，1/4故不同尺寸規(guī)格的感光芯片需配相應規(guī)格的鏡頭，否則匹配不合適或出現(xiàn)暗角或鏡頭角度浪費等現(xiàn)象;使用在紅外攝像機上要選用帶IR功能的鏡頭，普通鏡頭沒有IR鍍膜，會造成白天和夜晚焦點偏差，白天圖像清晰，夜晚圖像模糊的問題;再者鏡頭的角度要和選用的紅外燈發(fā)射角度相匹配，如果鏡頭的角度比紅外燈角度大，會出現(xiàn)“手電筒”現(xiàn)象，中間亮，四周有暗角，如果鏡頭角度比紅外燈角度小則造成部分紅外光浪費的問題;其次是注意鏡頭的光圈值，相同焦距不同光圈值的鏡頭進光量是有很大區(qū)別的，F(xiàn)1.2和F3.0光圈的鏡頭進光量相差6倍。

(3)電源的選擇

選擇電源時，需考慮電源輸出功耗的冗余，一般電源功耗需大于整體系統(tǒng)所需功耗的20%。如果設計電源輸出功耗正好和系統(tǒng)整體功耗相同或略微偏大，電源基本處于滿載狀態(tài)，電源發(fā)熱比較嚴重，易造成電源帶載能力下降。選擇電源時也要考慮攝像機布線上的線損壓降，如果布線距離偏遠，適量提高電源供電電壓，以滿足遠距離攝像機和紅外燈板供電電壓要求。易出現(xiàn)的問題是，電壓偏低紅外燈不能工作在額定電流下，紅外燈板的照射距離將大打折扣。

四、高清監(jiān)控對紅外技術(shù)的要求

高清攝像機相對于普通攝像機感光芯片，相同尺寸上像素點成倍數(shù)增加，故造成感光點尺寸相應倍數(shù)的減少，所以相同曝光情況下，高清攝像機相對于普通像素攝像機低照度會差很多。這就意味著如果做高清攝像機夜晚紅外補光需要的強度要比普通像素紅外攝像機高的多。例如一個130萬像素1/3’尺寸的高清CCD，相對于43萬像素(480線數(shù))1/3’尺寸的普通CCD，單位面積上高清CCD的像素點是普通CCD的3倍，則高清CCD像素點感光性能則為普通CCD感光度的1/3，這就是高清攝像機夜晚效果差得根本原因?，F(xiàn)在的做法是延長曝光時間，來彌補低照度性能不好的缺陷，但這樣就造成圖像易出現(xiàn)拖影現(xiàn)象。如果高清夜晚圖像效果要好的話，只能增強外界燈光來彌補此方面的不足。

最后，說完前面部分，下面說一下配置，針對于高清補光方面，高清攝像機紅外補光對不同距離的監(jiān)控有不同的方案配置。近距離選用角度廣的LED燈板來補光，可實現(xiàn)廣角監(jiān)控且成本較低，中遠距離由于需要的補光燈強度比較大，角度小，使用普通的LED很難達到所需的效果。故在中遠距離選用具有方向性強，能量集中的激光紅外燈來進行補光。以上就是紅外攝像機的原理以及如何選擇。