红外摄像机原理分析及演变.doc

人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。(可见光、红外线和紫外线等),红外夜视，就是在夜视状态下，数码摄像机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，关掉红外滤光镜，不再阻挡红外线进入CCD，红外线经物体反射后进入镜头进行成像，这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。详细产品图和外观如图：红外线摄像机的原理特性及其选择与使用，在电视监控系统工程中，过去很少应用红外灯，但由于现今社会犯罪比率不断增加，红外线在夜间监视所扮演的角色更加突出，不仅金库、油库、军械库、图书文献库、文物部门、监狱等重要部门采用，而且也在一般监控系统中都被采用。甚至居民小区电视监控工程也应用了红外线摄像机。这说明人们对电视监控系统工程的要求愈来愈规范、愈来愈高。对重要的场所越来越要求做到24小时连续监控，实现夜视的方法，可以采用常规的可见光照明，但此法不仅不能隐蔽，反而更加暴露监控目标。隐蔽的夜视监控，目前都是采用红外摄像技术。红外摄像技术分为被动红外摄像技术和主动红外摄像技术。被动红外摄像技术是利用任何物体在绝对零度(一273)以上都有红外光发射的原理。由于人的身体和发热物体发出的红外光较强，其它非发热物体发出的红光很微弱，因此，利用特殊的红外摄像机就可以实现夜间监控。被动红外摄像技术由于设备造价高且不能反映周围环境状况，因此在夜视系统中不被采用。主动红外摄像技术是利用特制的红外灯人为产生红外辐射，产生人眼看不见而普通摄像机能捕捉到的红外光，辐射照明景物和环境，利用普通低照度CCD黑白摄像机或使用白天彩色夜间自动变黑白的摄像机或红外低照度彩色摄像机去感受周围环境反射回来的红外光，从而实现夜视功能。红外线摄像机原理特性：光是一种电磁波，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380nm780nm，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。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0.753.0微米；中红外指波长为3.020微米；远红外则指波长为201000微米演变俗语说有需求便会有市场，很快市场上便出现了专业提供850NM和940NM波长红外灯的供应商。当时这台芯片还是CMOS黑白的，红外灯板上也没有加上光敏电阻，一通电便LED全部开启，至于红外灯每天24小时开启，到底它能坚持使用多久，读者都能想象得到。光敏电阻的应用，很快解决了红外摄像机的这一问题，红外灯可以根据环境光线的明暗照度而决定是否开启，这一应用将当时红外摄像机的寿命提高了一大半，这也是最早的“日夜两用红外摄像机”。关于红外摄像机的演变，就要追溯到红外摄像机的起源，最早出现的E-2001红外摄像机采用了12颗遥控器的红外灯，至于发出红外波长是多少，当时并不知道，当彩色CCD芯片面世后，红外摄像机面临了又一次的问题。白天严重偏色！为了解决这一问题，便在CCD上应用起了滤光片，专业术语叫(ICF)，它的作用主要是用来滤除红外线和修整光线，当时的滤光片只能让波长(380NM-780NM)的可见光进入，白天偏色的问题解决了，但晚上却无法接收到红外线，摄像机晚上就无法工作了了。于是有人开始在滤光片上做文章，让滤光片既能接收某一波长的红外线，又能滤除大部分红外线，这其实也是“关大门开小窗”的做法，有需求便会有市场，市面上出现了专让波长850NM940NM红外线进入了滤光片，时称“双通滤光片”，双通滤光片往CCD上一粘，白天偏色不是很严重，晚上也能接收红外线，这种做法在“红界”广为流传，大家也将之称为“红外一体机”，目前市场上主要流通和应用的也是这种红外摄像机。“红外一体机”由于白天也能让波长850NM940NM的红外线进入，而一旦有红外线进入时，就会引起DSP运算错误，这就决定了红外一体机一定会偏色，只是比之前较轻而已。当然，也有部分厂家具备调整芯片内部RGB色调的能力，以此来弥补DSP的运算错误。然而，冷暧色调也是“众目难调”，生产厂家只是将颜色处理得相对真实一点，事实上，“红外一体机”在偏色问题处理上，只是治标不治本。何使得摄像机白天不偏色，晚上又能清晰接收红外线呢？很多安防企业都在思考这个问题，于是彩色日夜两用型摄像机应运而生。这种摄像机多加了一个机械装置，白天加上滤光片，晚上将之移除，换上普通的玻璃片来修整光线，就像给CCD戴上了太阳眼镜，也极像一个戴着老花眼镜的先生，在阅文写字时，目光是经过眼镜的，但在看人时，却是从镜框的上方射出目光，这也是“IRCUT”红外摄像机的雏形。由于机械装置的耐磨性并不是很高，并且在傍晚时分，红外灯开启的临界状态时，人们总能从摄像机内部听出不断的“咔嚓咔嚓”声音，再好的原料也顶不住这样日夜的磨损，当很多摄像机镜片切换不了时，就又回到了白天严重偏色或是晚上不能看到图像的原始问题。后来的“IRCUT”摄像机经过电磁开关、继电器开关等的改良，但皆因其机械精密程度，甚至导致要改变掉滤光片的厚度，尽管在偏色问题上“IRCUT”摄像机作出过贡献，但其到目前还是无法占领市场。市场上出现了一种红外摄像机可以做到颜色逼真，用专业术语讲叫色彩还原度高，这就是“双CCD红外摄像机”。双CCD红外摄像机，顾名思义有两个CCD板，其实也便是两台摄像机组合在一个外壳内，并且有两个单独的摄像头，双CCD红外摄像机的原理其实很简单，只是两台摄像机拼合在同一个外壳内，利用一个光敏电阻进行切换，白天所用的一个CCD上粘有完全滤除红外线的滤光片，晚上开启的那台没有滤光片，只是普通玻璃片修整光线，它的原理等同于“IRCUT”，只是用光电转换代替了机械切换。同时，两台摄像机在一块轮流上岗，一个白班，一个晚班，能够延长摄像机的使用寿命。随着市场的推广，双CCD红外摄像机的问题也随之明显。首先，光线照度在光敏电阻设定的照度时，红外灯在临界点上会不停地开启和闪烁，而电流的切换和开启另一个CCD板成像还有几微秒的时间差，因此，在傍晚时分，光线照度处于临界点的几分钟内，这种摄像机会不停地听到电流“嘀嗒”切换声，严重时会引起没有画面。针对这个问题，三辰科技在双CCD红外摄像机上加上一个延时电路，当接受到光线变化后，延时3秒钟再进行切换，可以消除这种现象，也从根本上解决了因光线变化不停切换的问题。但据笔者研究，至目前为止，双CCD红外摄像机至少还存在一个的问题。因为两个CCD主管的镜头处于同一平面，之间所照摄角度和范围存在区别，因此，显示器上成像的监控场所是有分别的，只是很多使用者没有留意罢了！当然，红外摄像机是否会出现新的技术进步？又是否会有替代品的产生？在科技更新换代的今天，没有人能准确地预测。光源红外光源关系到摄像机的寿命和距离，在此我粗略讲述一下它的工作原理。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。当电压越过正向阈值电压(约0.8V左右)电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其工作电流要求十分敏感。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。红外摄像机所用的红外光源，是红外摄像机的核心部件，因为其直接关系到红外摄像机的寿命和距离两大软肋。目前市场上主要有两种类别，一种是传统的圆珠LED灯，在红外起源中讲到的遥控器，其主要部件就是这种能发红外线的二极管，业界称之为红外灯，专业术语叫(LED)，也是比较传统和常用的一种红外光源；另一种便是两年前风靡一时的“阵列式”红外光源，“阵列式”红外的原理，是将诸多发光芯片加以集成，光电转化效率比普通的要高，普通的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。红外灯的亮度，取决于红外灯本身的晶片功率和通过的电流，并不是取决于红外灯本身的体积大小或是封装胶体的颜色，很多人误解为红外灯体积大，便功率大，还有人误解说“蓝灯”比“白灯”好，这些都是没有科学依据的。但红外灯厂家通常会将功率大的晶片在封装时将外观体积做大，这倒是真的。市场上质量较好的红外灯的晶片，大多是来自台湾，常见的晶片有“鼎元”和“光磊”两种。晶片本身具有不同的功率，用常见的有10mil、12mil、14mil、16mil、24mil等种类。同样晶片的功率，红外灯亮度与电流的大小也成正比，但对灯的损耗会加大。例如：同样是14mil的晶片，红外灯在通过50毫安电流时，会比35毫安电流更亮，当然对灯的损耗大，衰减也快，但当前市场上，有相当一部分人在组装红外摄像机时都是采用这种让“饮鸩止渴”的办法，很多消费者一时也很难分辨，以为摄像机晚上红外灯越亮越好。同样的电流下，晶片的功率大小与红外灯亮度也成正比。例如在同样是50毫安的电流下，24mil的晶片会比12mil晶片更亮，这种方法可以保证红外灯的亮度，同时也可保证红外灯的寿命，但成本也高，少数厂家会这样去用。据了解，三辰科技在红外灯应用上特别有讲究，如在同样是8MM的红外灯上，同行大多是采用12mil和14mil的晶片，三辰的则是16mil，这就出现了同款式红外摄像机上，红外灯外大小和个数一样的情况下摄像机会显得更清晰和使用寿命更长的关键。LED发光二级管：这种的应用比较广泛，单管寿命很长，但管子多了，电流就大了，热量上去了，寿命就会缩短。同时，大电流还会有引起火灾的隐患。但是，这些弊端是可以避免的。LED类红外灯产品分为有红爆和无红爆两类。(1)有红爆产品使用波长为850nm的红外led发射管，使用中，近距离观察，红外灯会发出暗红色的光。(2)而无红爆产品使用波长为940nm的红外led发射管，使用中，红外灯表面没有任何光亮，因此更隐蔽。同一款摄像机,在850nm波长的感应度,比在940nm波长的感应度好到10倍。所以850nm这种有轻微红暴的红外灯拥有更高的效率,应当做为红外灯的首选。维护技巧摄像机一般都需要24小时不间断地工作，因此做好摄像机的维护，则可以延长摄像机的寿命和保障摄像机图像效果的稳定性，具体应