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红外摄像机的技术原理

归档日期:08-22       文本归类:观察镜      文章编辑:爱尚语录

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  光是一种电磁波,通常人们将红外光划分为近、中、远红外三部分。近红外指波长为0.75~3.0微米;中红外指波长为3.0~20微米;远红外则指波长为20~1000微米。

  光是一种电磁波,具有与无线电波一样的本质。它的波长区间从几个纳米(1nm=10-9m)到1毫米(mm)左右。人眼可见的只是其中一部分,我们称其为可见光,可见光的波长范围为380nm~780nm,可见光波长由长到短分为红、橙、黄、绿、青、兰、紫光,波长比紫光短的称为紫外光,波长比红外光长的称为红外光。红外光线μm之间,位于无线电波与可见光之间。

  红外灯按其红外线辐射机理分为半导体固体发光(红外发射二极管IR LED)

  红外发射二极管(IR LED)红外灯的原理是:由红外发光二极管矩阵组成发光体。红外发射二极管由红外辐射效率高的材料(常用砷化镓GaAs)制成PN结,外加正向偏置电压向PN结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长830~950nm,半峰带宽约40nm左右,它是窄带分布,为普通CCD黑白摄像机可感受的范围。

  红外发光二极管的发射功率用辐照度μW/m2表示。红外二极管的最大辐射强度一般在光轴的正前方,并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。辐射强度为最大值的50%的角度称为半强度辐射角,即半功率角。不同封装工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同。

  红外灯有不同的功率及715、830nM两种波长,波长的不同决定了红外灯照明距离和效果:

  715nM的红外灯由于其照明距离远, 效果好,但是会产生红暴情况(家用数码相机的补光用的就是这种红外灯);

  一般市场上主要采用红外发射二极管的红外灯,其原理及特性我们介绍如下:由红外发光二级管矩阵组成发光体。红外发射二级管由红外辐射效率高的材料(常用砷化镓GaAs)制成PN结,外加正向偏压向PN结注入电流激发红外光。其最大的优点是可以完全无红暴,(采用940~950nm波长红外管)或仅有微弱红暴(红暴为有可见红光)和寿命长。红外发光二极管的发射功率用辐照度μW/m2表示。针对这一情况,富士康公司FI-930C和FI-970C在设计时充分考虑了这个问题,采用高效率发光二极管,在摄像机里面内置散热系统,使摄像机稳定工作时间达到25000小时!

  红外线是一种光波,它的波长区间从几个纳米(nm)到1毫米(mm)左右。人眼可见的只是其中一部分,我们称其为可见光,可见光的波长范围为380nm~780nm,可见光波长由长到短分为红、橙、黄、绿、青、兰、紫光,波长比红光长的称为红外光。红外光线μm之间,介于无线电波与可见光之间。

  红外摄像机其实就是将监控摄像机、防护罩、红外灯、供电散热单元等综合成一体的监控设备。目前监控工程中最常用的红外防水摄像机是主动红外,由LED发出红外线,利用CCD或CMOS可以感受红外光的光谱特性(即可以感受可见光,也可以感受红外光),配合红外灯作为“照明源”来夜视成像。市场上以发射波长850nm和940nm的红外LED为主。早期的红外夜视系统不是用在民用的,主要应用于军事方面,但由于主动红外夜视系统发射红外线,易于被敌军发现,因而在军事上已基本被淘汰。军事领域主要用红外热成像仪(即被动红外摄像机),其摄像系统能感应绝对零度(-273℃)以上的物体发出的红外线辐射,物体的温度越高,辐射出的红外线越多并且容易成像。由于目标市场和制造成本问题,很少有生产民用摄像机的安防厂家生产被动红外摄像机。

  红外灯是红外摄像机的核心部件,市场主要有两种类别,一种是传统型的圆珠LED灯,是比较传统和常用的一种红外光源,后来封装不同的“食人鱼”红外灯,也可将之划分为传统红外灯;另一种是两年前风靡一时的“阵列式”红外光源,其原理是将诸多发光芯片加以集成,光电转化效率比普通的要高,普通LED的光电转换率是10%,而“阵列式”红外摄像机的光电转换率可提升到25%以上,这也正是“阵列式”红外防水摄像机照使所有物体“太白”的原因。夜间,人脸和衣服在图像上很难区别开来。另外,其发热量无法像传统红外灯一样固定在监控摄像头的镜头周围,市场上所见到的“阵列式”红外摄像机,多为灯板与镜头分离,红外灯分别固定在上下或是左右两侧。

  红外光源关系到监控摄像机的寿命和距离,一般来说,红外灯辐射功率与正向工作电流成正比,但在接近正向电流的最大额定值时,器件的温度因电流的热耗而上升,使光发射功率下降。红外二极管电流过小,将影响其辐射功率的发挥,但工作电流过大将影响其寿命,甚至使红外二极管烧毁。因此要求工作电流准确、稳定,否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。辐射功率随环境温度的升高(包括其本身的发热所产生的环境温度升高)会使其辐射功率下降。红外灯特别是远距离红外灯,热耗是设计和选择时应注意的问题。

  在夜视监控系统中,常规的办法是利用可见光照明,但这种方式存在不能隐蔽、容易暴露监控目标等缺点,因此使用较少,隐蔽、科学的夜视监控是采用红外摄像技术。红外摄像技术分为被动式和主动式。被动红外摄像技术是利用任何物质在绝对零度(-273℃)以上都有红外线辐射,物体的温度越高,辐射出的红外线越多。利用此原理制成的摄像机最典型的就是红外热像仪,但是,这种特殊的红外摄像机造价昂贵,因此仅限于军事或特殊场合使用。而主动红外摄像技术,是采用红外灯辐射“照明”(主要是红外光线),应用普通低照度黑白摄像机、彩色转黑白摄像机或红外低照度彩色摄像机,感受周围景物和环境反射回来的红外光实现夜视监控。主动红外摄像技术成熟,稳定,成为夜视监控的主流。

  红外一体化摄像机是将摄像机、防护罩、红外灯、供电散热单元等综合成为一体的摄像设备。它实现夜视的基本原理是利用普通CCD黑白摄像机可以感受红外光的光谱特性(即可以感受可见光,也可以感受红外光),配合红外灯作为“照明源”来夜视成像。红外灯的功率和角度,摄像机的配置,一定焦距的感红外镜头,以及是否有良好的供电散热处理是判断红外一体化摄像机性能的重要参数。

  市场上也有许多产品是摄像机与红外线投射器分开的,这需要用户对红外灯和摄像机的性能有足够的了解,能够根据红外灯的角度、摄像机镜头参数等作合理的搭配。

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