淺析幾種紅外光源的比較與選擇

淺析幾種紅外光源的比較與選擇近年來，人們對電視監(jiān)控系統(tǒng)工程的要求愈來愈規(guī)范、愈來愈高。不但要求白天可見光照明監(jiān)控，而且要求夜間隱蔽性監(jiān)控。傳統(tǒng)的照明燈光經常會引起別人的注意，提醒入侵者“裝有電視監(jiān)控統(tǒng)”,或者會影響周圍的住戶，而安裝紅外光源則不存在這些問題。普通可見光的波長是380nm~780nm，而紅外光是一種波長大于780nm的不可見光。

一般，產生這種紅外光的方法有三種：

1、直接使用白熾燈或氙燈發(fā)出的紅外光，即在這兩種燈上安裝可見光濾鏡，即濾去可見光，只讓看不見的紅外射線射出；

2、使用紅外發(fā)光二極管LED或LED陣列來產生紅外光。這種器件是通過半導體中的電子與空穴復合來產生紅外光的；

3、使用紅外激光二極管LD，也可作紅外光源。但它要把處于較低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上去，通過大量粒子分布反轉、共振而維持受激輻射。

前兩種方法都能生成或窄或寬的光束。在使用對紅外線較為敏感的攝像機，如固態(tài)CCD或CMOS攝像機、低照度增強型攝像機觀察場景時，可以獲得質量相當高的圖像。

第三種光源的光束細而強，要照亮一定范圍的場景，需要通過擴束鏡頭擴束。這種光源在安防市場資料上還未見報導，目前多用于1km以上距離監(jiān)控場景的夜視照明。

下面將簡介這三種紅外光源的原理、特性，以及它們的比較與使用選擇，供設計與使用者參考。

通常，物體在溫度較低時產生的熱輻射全部是紅外光，所以人眼不能直接觀察到。當加熱到5000C時，才會產生暗紅色的可見光，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，供輻射繼續(xù)不斷地進行。輻射體在不同加熱溫度時，輻射的峰值波長是不同的，其光譜能量分布也不同。根據(jù)以上原理，經特殊設計和工藝制成的紅外燈泡，其紅外光成分最高可達92～95%。

紅外燈泡最大的優(yōu)點是可制成比較大的功率和輻照角度，因此照射的距離遠。其最大不足之處是包含可見光成份，即有紅暴，且使用壽命短。如果每天工作10小時，5000小時只能使用一年多，若考慮散熱不夠，壽命還要短。為提高熱輻射紅外燈的壽命，采用了光控開關電路，以減小其工作時間。此外，還增加了延時開關電路以防環(huán)境光干擾。

一般，氙燈和白熾燈可以照亮距離攝像機一百多米外的場景，因此，在其前端配一個只讓紅外線通過的濾鏡，完全可以為隱蔽式電視監(jiān)控系統(tǒng)提供足夠的紅外射線。由于這種熱紅外光源要消耗大量的能量，產生大量的熱，所以這種光源需要配備特制的散熱器或空氣冷卻設備，才可以使其能夠持續(xù)工作。

另外，還有一種特別高效的配置，它使用鹵鎢燈作為系統(tǒng)的光源，同時還使用了一種獨特的濾光和冷卻技術。這套照明系統(tǒng)中裝有薄漠式雙向光學涂層（光束分割器）和濾光器，它可以將近紅外光傳到燈的前面，以形成紅外光束；而可見光和遠紅外光則被擋回燈的后部，并在那里被外殼吸收。外殼是一個高效的散熱器，可以很快地將產生的熱量散走。這種系統(tǒng)可以在高溫環(huán)境中連續(xù)工作，而不需要配備專門的冷氣扇。

此外，還可使用拋物面形鍍鋁反射器PAR56密封鹵鎢燈泡，作出500瓦紅外光源。這種PAR56燈的燈絲在約為3000K的溫度下工作，其平均使用壽命為2000~4000小時（取決于工作時的溫度）。反射器內表面上雙向光學涂層和前折射鏡頭，是由多層二氧化硅和二氧化鈦構成的。除干涉濾鏡外，在鹵鎢燈和鏡頭涂層之間，還有一個石英基的屏蔽層——“冷鏡”，以控制燈絲發(fā)出的可見光。燈和前鏡頭之間有一個可見光吸收濾鏡，它對波長小于780nm的光線（包括全部的可見光部分），且傳輸率只有0.1%。整個系統(tǒng)的濾光效果可以保證只有紅外線才能離開燈的前表面，而可見光和長波紅光就無法射出。因此，人的眼睛根本就看不到這種燈具所發(fā)出的光。熱紅外光源照明系統(tǒng)，通過配用不同的前鏡頭，可以發(fā)出用于覆蓋較大范圍場景的寬光束或用于觀察遠處目標的聚光光束等不同形狀的光束，以適應現(xiàn)場的具體需要。表1列舉了常用紅外燈的類型，以及它們的水平和垂直光束角。光束角最窄可以達到10度，最寬則可以達到60度。

表1紅外光源的光束角

光源的類別燈的種類輸入功率及電壓光束角（度）照射距離（m）

寬泛光燈帶濾鏡的鹵鎢白熾燈100W水平60/垂直609.1

聚光燈帶濾鏡的鹵鎢白熾燈100W水平10/垂直1061.0

寬泛光燈帶濾鏡的鹵鎢白熾燈500W水平40/垂直1627.4

聚光燈帶濾鏡的鹵鎢白熾燈500W水平12/垂直8137.2

根據(jù)產生激光所必須滿足的要求，激光器一般由激發(fā)裝置（泵源）、工作物質及共振腔三部分組成。半導體激光二極管，即PN結型激光器的結構如圖2所示（見圖2）。它為常用的法布里-泊羅共振腔。

半導體激光器工作物質種類很多，其中GaAs是第一種有激光作用的半導體材料。由于對它進行了長時間的深入研究，使GaAs激光得到了較為廣泛的應用。其它Ⅲ-Ⅴ族化合物激光器的性質與GaAs相似，Ⅳ-Ⅵ族化合物如PbSePbTe、PbS等也都有激光作用。適當選擇這些材料，可得到不同頻率的激光。

首先將工作物質制成PN結并切成長方塊。為實現(xiàn)分布反轉，結區(qū)的兩側都要求是重摻雜半導體材料，雜質濃度一般為1018~1019cm-3，使費米能級分別進入導帶及價帶內。在圖2中，左右兩側是二極管的輻射輸出端面。由一對相互平行的解理面或拋光面構成，并與結平面垂直，這對平面夠成了端部反射器。其余的前后兩面是粗糙的，用來消除主要方向以外的激光作用。這種結構就叫法布里-泊羅共振腔。然后焊上引出線，供給二極管的電流從引線流向散熱器。

結型半導體激光器所有的半導體材料是重摻雜半導體，平衡態(tài)時，P區(qū)價帶頂沒有電子，N區(qū)導帶底有高的電子濃度。當PN結加上正向偏壓后，勢壘降低。由于勢壘降低，大量電子由N區(qū)越過勢壘與P區(qū)的空穴復合，發(fā)射出能量等于hυ的光子。空穴也可由P區(qū)流入N區(qū)與電子復合發(fā)射光子。當外加電壓足夠大（qV≥Eg），使hυ≥Eg時，勢壘區(qū)和其兩側一個擴散長度范圍內將出現(xiàn)一個分布反轉區(qū)，這就是發(fā)射激光的工作區(qū)。再加上端面反射反饋便會產生激光。

由于半導體PN結（同質結）激光器在室溫下閾值電流很高，不能實現(xiàn)室溫下的連續(xù)振蕩，這在很大程度上限制了它的應用。為了降低激光器在室溫下的閾值電流，實現(xiàn)室溫下連續(xù)振蕩，在較窄禁帶寬度材料的兩側加上較寬禁帶寬度的材料構成異質結，以限制載流子。由于這種限制作用，增加了結區(qū)載流子濃度，從而提高了受激輻射的效率。

半導體單異質結激光器在低溫下閾值電流密度與同質結差不多，但在溫度變化時，異質結激光器的閾值隨溫度的變化較小，如室溫下的閾值電流密度可降至8000A/cm2，但也只能實現(xiàn)室溫下的脈沖振蕩。為進一步降低閾值電流，實現(xiàn)室溫下的連續(xù)振蕩，又研制了雙異質結激光器。

半導體雙異質結激光器的結構是GaAs的一側為N型AlxGa1-xAs，另一側為P型AlxGa1-xAs。作用區(qū)兩側具有對稱性，因而激光作用區(qū)在N型或P型處皆可。以P型為例，加正向偏壓時，電子注入作用區(qū)到達P-GaAs和P-AlxGa1-xAs界面，受到勢壘的阻擋而返回，不能進入P型AlxGa1-xAs層中去，從而增加了P型GaAs層中的電子濃度，提高了增益。又由于N型AlxGa1-xAs與P型GaAs之間的勢壘避免了單異質結激光器存在的空穴注入現(xiàn)象，使工作區(qū)電子、空穴濃度更大，復合幾率增加。另外，由于兩個界面處折射率都發(fā)生較大突變，所以光子被更有效地限制在作用區(qū)內。因此，雙異質結激光器的閾值電流進一步降低到1000~3000A/cm2，實現(xiàn)了室溫下的連續(xù)振蕩。實驗證明，閾值電流隨溫度的變化也較小。

目前，半導體異質結激光器的主要改進方向是進一步降低閾值電流密度和提高效率，以及獲得與固體和氣體激光器相近的光束相干性和方向性。

由于半導體激光器的亮度高、價格貴，一般在1km以上的遠距離監(jiān)控場景才采用。

幾種紅外光源的比較與選擇

三種紅外光源的特性比較如表2所示。

表2、三種紅外光源的特性比較

類別發(fā)光原理輸入功率光束角度照射距離體積成本應用

熱紅外光源燈絲加熱加濾光片發(fā)紅外光幾百W10o～60o幾百m大高較少

紅外LED電子空穴復合發(fā)光幾W～幾十W陣列達幾十度幾十～幾百m(陣列)中低廣泛

紅外LD諧振激發(fā)發(fā)光幾W小，需擴束1km以上小高多軍用

由表2可看出，這三種紅外光源各有其優(yōu)劣。開始使用紅外光源時，由于紅外LED的功率小、價格也較貴，因而多使用熱紅外光源。隨著光電技術的發(fā)展，紅外LED的功率增大、價格下降，因此使用紅外LED的越來越多。尤其現(xiàn)在可使用LED-Array，它是高度集成的LED，其體積小、亮度高、壽命長、發(fā)光角度可調寬，是高質量夜間監(jiān)控的一種理想選擇。

雖然，紅外LED及LED-Array淘汰了熱紅外光源，但對于1km以上的超遠距離場景的監(jiān)控，還是要選擇紅外LD光源。

值得指出的是，紅外光源的選擇最重要的問題是成套性，即紅外燈與攝像機、鏡頭、防護罩、供電電源等的成套性。在設計方案時應對所有器材綜合考慮設計，把它作為一個紅外低照度夜視監(jiān)控系統(tǒng)工程來考慮設計。

除配套性外，還要考慮到以下因素，選擇紅外燈時，在選擇紅外燈輻照距離時留有余地。在使用紅外燈時我們應選用黑白攝像機或是日夜兩用攝像機（即彩轉黑攝像機），同時對攝像機的照度要求一般為0.02Lux。并且這臺攝像機要有自動電子快門功能，AGC自動增益控制功能。還有所選用的鏡頭最好是紅外鏡頭，有自動光圈，以適應晝夜照度很大的變化。

此外，在選擇紅外光源時，還要注意其