浅析几种红外光源的比较与选择

浅析几种红外光源的比较与选择近年来，人们对电视监控系统工程的要求愈来愈规范、愈来愈高。不但要求白天可见光照明监控，而且要求夜间隐蔽性监控。传统的照明灯光经常会引起别人的注意，提醒入侵者“装有电视监控统”,或者会影响周围的住户，而安装红外光源则不存在这些问题。普通可见光的波长是380nm~780nm，而红外光是一种波长大于780nm的不可见光。一般，产生这种红外光的方法有三种：1、直接使用白炽灯或氙灯发出的红外光，即在这两种灯上安装可见光滤镜，即滤去可见光，只让看不见的红外射线射出；2、使用红外发光二极管LED或LED阵列来产生红外光。这种器件是通过半导体中的电子与空穴复合来产生红外光的；3、使用红外激光二极管LD，也可作红外光源。但它要把处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，通过大量粒子分布反转、共振而维持受激辐射。前两种方法都能生成或窄或宽的光束。在使用对红外线较为敏感的摄像机，如固态CCD或CMOS摄像机、低照度增强型摄像机观察场景时，可以获得质量相当高的图像。第三种光源的光束细而强，要照亮一定范围的场景，需要通过扩束镜头扩束。这种光源在安防市场资料上还未见报导，目前多用于1km以上距离监控场景的夜视照明。下面将简介这三种红外光源的原理、特性，以及它们的比较与使用选择，供设计与使用者参考。通常，物体在温度较低时产生的热辐射全部是红外光，所以人眼不能直接观察到。当加热到5000C时，才会产生暗红色的可见光，随着温度的上升，光变得更亮更白。在热辐射光源中通过加热灯丝来维持它的温度，供辐射继续不断地进行。辐射体在不同加热温度时，辐射的峰值波长是不同的，其光谱能量分布也不同。根据以上原理，经特殊设计和工艺制成的红外灯泡，其红外光成分最高可达92～95%。红外灯泡最大的优点是可制成比较大的功率和辐照角度，因此照射的距离远。其最大不足之处是包含可见光成份，即有红暴，且使用寿命短。如果每天工作10小时，5000小时只能使用一年多，若考虑散热不够，寿命还要短。为提高热辐射红外灯的寿命，采用了光控开关电路，以减小其工作时间。此外，还增加了延时开关电路以防环境光干扰。一般，氙灯和白炽灯可以照亮距离摄像机一百多米外的场景，因此，在其前端配一个只让红外线通过的滤镜，完全可以为隐蔽式电视监控系统提供足够的红外射线。由于这种热红外光源要消耗大量的能量，产生大量的热，所以这种光源需要配备特制的散热器或空气冷却设备，才可以使其能够持续工作。另外，还有一种特别高效的配置，它使用卤钨灯作为系统的光源，同时还使用了一种独特的滤光和冷却技术。这套照明系统中装有薄漠式双向光学涂层（光束分割器）和滤光器，它可以将近红外光传到灯的前面，以形成红外光束；而可见光和远红外光则被挡回灯的后部，并在那里被外壳吸收。外壳是一个高效的散热器，可以很快地将产生的热量散走。这种系统可以在高温环境中连续工作，而不需要配备专门的冷气扇。此外，还可使用抛物面形镀铝反射器PAR56密封卤钨灯泡，作出500瓦红外光源。这种PAR56灯的灯丝在约为3000K的温度下工作，其平均使用寿命为2000~4000小时（取决于工作时的温度）。反射器内表面上双向光学涂层和前折射镜头，是由多层二氧化硅和二氧化钛构成的。除干涉滤镜外，在卤钨灯和镜头涂层之间，还有一个石英基的屏蔽层——“冷镜”，以控制灯丝发出的可见光。灯和前镜头之间有一个可见光吸收滤镜，它对波长小于780nm的光线（包括全部的可见光部分），且传输率只有0.1%。整个系统的滤光效果可以保证只有红外线才能离开灯的前表面，而可见光和长波红光就无法射出。因此，人的眼睛根本就看不到这种灯具所发出的光。热红外光源照明系统，通过配用不同的前镜头，可以发出用于覆盖较大范围场景的宽光束或用于观察远处目标的聚光光束等不同形状的光束，以适应现场的具体需要。表1列举了常用红外灯的类型，以及它们的水平和垂直光束角。光束角最窄可以达到10度，最宽则可以达到60度。表1红外光源的光束角光源的类别灯的种类输入功率及电压光束角（度）照射距离（m）宽泛光灯带滤镜的卤钨白炽灯100W水平60/垂直609.1聚光灯带滤镜的卤钨白炽灯100W水平10/垂直1061.0宽泛光灯带滤镜的卤钨白炽灯500W水平40/垂直1627.4聚光灯带滤镜的卤钨白炽灯500W水平12/垂直8137.2泛光灯带滤镜的弧氙灯400W、交流40152.4聚光灯带滤镜的短弧氙灯400W、交流12457.2泛光灯发光二极管(TaAs)50W（直流12V）3061.0泛光灯发光二极管(TaAs)8W（直流12V）4021.3注：1、发光二极管发出的是850nm以上的不可见红外光；2、卤钨灯和氙弧灯使用的滤镜是可见光阻隔滤镜。红外发光二极管（LED）光源LED是发光二极管（LightEmittingDiode）的简称，是一种注入式电致发光器件，它主要由P型和N型半导体材料组合而成。其结构示意如图1所示(见图1）。实际是将PN结管芯烧结在金属或陶瓷底座有引线的架子上，然后四周用起到保护内部芯线作用的环氧树脂密封就可构成。这种LED灯的发光原理是：在半导体发光二极管（LED）的PN结上加正向电压时，使电子和空穴载流子在结区相遇复合（结区变窄），其实质是电子从高能级的导带释放能量回到价带与空穴复合，这种把多余的能量以光子的形式释放出来，就把电能直接转换成了光能，即发光。根据半导体物理中的公式入＝1240/Eg(1)式中，Eg为某半导体材料导带与价带之间的禁带宽度，其单位为电子伏特；入为波长，式中的单位为nm。当采用砷化镓半导体(当然也还有其他材料的半导体)时，其禁带宽度Eg，决定它只能发出近红外光。砷化镓LED的电源线共有两根，在加正向电压通电后，即会发出红外光，光线经过前端球形镜头的放大后就会射到场景中去。要想照亮一定距离的场景，常常需要几十、几百个LED构成的平面式阵列。发光二极管阵列的发光量，是全部发光二极管发光量的总和。因此，可根据场景的情况，尤其距离的远近来配备LED的多少。各个发光二极管的红外光输出合并起来，就可以产生足够多的光线，使其足以照亮被监视的现场，从而使得固态CCD摄像机可以产生高质量的黑白视频图像。LED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50%的角度时，称为半强度辐射角。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。这种发光器件和白炽灯泡相比，有体积小、耐冲力、寿命长、功耗低、响应快、可靠性高、颜色鲜明、易和集成电路匹配等特点，因而获得了广泛的应用。目前，隐蔽式监控系统中使用最普遍的照明灯具，多是半导体砷化镓发光二极管阵列组成的红外灯。因为砷化镓(GaAs)LED只发出近红外光，所以这种灯可以发出窄带红外光，绝不会发出可见光。它的光转换效率也相当高，一般可以将50%的电能转换成红外光辐射能量。这种灯在略高于室温的温度下工作时，几乎不发热，因此也就不需要特别的冷却装置。尤其现在可使用的美国PacificCybervision公司开发生产的阵列式集成发光芯片LEDArray。其一个LED-Array的光学输出达到了800mw～1000mw，成为普通LED的换代产品,LED-Array的发光半功率角为10～120°（可变角）。由于LED-Array为高度集成的LED，且体积只有一个一分钱硬币的大小，在室内可均匀照亮全部空间,其寿命为50,000个小时。它最初是运用在航空飞机上面，近年来由于民用夜间监控市场的发展，LED-Array才逐步走向民用市场，成为高质量夜间监控的一种理想选择。此外，还可将红外发光二极管装在镜头上，与黑白CCD摄像机配用，或直接装在摄像机与镜头接口周围的机壳上。显然，这两种装配的红外LED少，其照射的距离肯定不如单独的红外LED灯照射的远。红外激光二极管(LD)光源半导体激光器是一种新型的发光器件，和上述光源相比，它有方向性强、单色性好、相干性好、亮度高等突出优点。但是，要得到激光必须满足3个基本条件：1、要把处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，为此需要泵源；2、要有大量粒子分布反转，使受激辐射足以克服损耗；3、要有一个共振腔提供正反馈及增益，用以维持受激辐射的持续振荡。根据产生激光所必须满足的要求，激光器一般由激发装置（泵源）、工作物质及共振腔三部分组成。半导体激光二极管，即PN结型激光器的结构如图2所示（见图2）。它为常用的法布里-泊罗共振腔。半导体激光器工作物质种类很多，其中GaAs是第一种有激光作用的半导体材料。由于对它进行了长时间的深入研究，使GaAs激光得到了较为广泛的应用。其它Ⅲ-Ⅴ族化合物激光器的性质与GaAs相似，Ⅳ-Ⅵ族化合物如PbSePbTe、PbS等也都有激光作用。适当选择这些材料，可得到不同频率的激光。首先将工作物质制成PN结并切成长方块。为实现分布反转，结区的两侧都要求是重掺杂半导体材料，杂质浓度一般为1018~1019cm-3，使费米能级分别进入导带及价带内。在图2中，左右两侧是二极管的辐射输出端面。由一对相互平行的解理面或抛光面构成，并与结平面垂直，这对平面够成了端部反射器。其余的前后两面是粗糙的，用来消除主要方向以外的激光作用。这种结构就叫法布里-泊罗共振腔。然后焊上引出线，供给二极管的电流从引线流向散热器。结型半导体激光器所有的半导体材料是重掺杂半导体，平衡态时，P区价带顶没有电子，N区导带底有高的电子浓度。当PN结加上正向偏压后，势垒降低。由于势垒降低，大量电子由N区越过势垒与P区的空穴复合，发射出能量等于hυ的光子。空穴也可由P区流入N区与电子复合发射光子。当外加电压足够大（qV≥Eg），使hυ≥Eg时，势垒区和其两侧一个扩散长度范围内将出现一个分布反转区，这就是发射激光的工作区。再加上端面反射反馈便会产生激光。由于半导体PN结（同质结）激光器在室温下阈值电流很高，不能实现室温下的连续振荡，这在很大程度上限制了它的应用。为了降低激光器在室温下的阈值电流，实现室温下连续振荡，在较窄禁带宽度材料的两侧加上较宽禁带宽度的材料构成异质结，以限制载流子。由于这种限制作用，增加了结区载流子浓度，从而提高了受激辐射的效率。半导体单异质结激光器在低温下阈值电流密度与同质结差不多，但在温度变化时，异质结激光器的阈值随温度的变化较小，如室温下的阈值电流密度可降至8000A/cm2，但也只能实现室温下的脉冲振荡。为进一步降低阈值电流，实现室温下的连续振荡，又研制了双异质结激光器。半导体双异质结激光器的结构是GaAs的一侧为N型AlxGa1-xAs，另一侧为P型AlxGa1-xAs。作用区两侧具有对称性，因而激光作用区在N型或P型处皆可。以P型为例，加正向偏压时，电子注入作用区到达P-GaAs和P-AlxGa1-xAs界面，受到势垒的阻挡而返回，不能进入P型AlxGa1-xAs层中去，从而增加了P型GaAs层中的电子浓度，提高了增益。又由于N型AlxGa1-xAs与P型GaAs之间的势垒避免了单异质结激光器存在的空穴注入现象，使工作区电子、空穴浓度更大，复合几率增加。另外，由于两个界面处折射率都发生较大突变，所以光子被更有效地限制在作用区内。因此，双异质结激光器的阈值电流进一步降低到1000~3000A/cm2，实现了室温下的连续振荡。实验证明，阈值电流随温度的变化也较小。目前，半导体异质结激光器的主要改进方向是进一步降低阈值电流密度和提高效率，以及获得与固体和气体激光器相近的光束相干性和方向性。由于半导体激光器的亮度高、价格贵，一般在1km以上的远距离监控场景才采用。几种红外光源的比较与选择三种红外光源的特性比较如表2所示。表2、三种红外光源的特性比较类别发光原理输入功率光束角度照射距离体积成本应用热红外光源灯丝加热加滤光片发红外光几百W10o～60o几百m大高较少红外LED电子空穴复合发光几W～几十W阵列达几十度几十～几百m(阵列)中低广泛红外LD谐振激发发光几W小，需扩束1km以上小高多军用由表2可看出，这三种红外光源各有其优劣。开始使用红外光源时，由于红外LED的功率小、价