淺析幾種紅外光源的比較與選擇
近年來，人們對電視監控系統工程的要求愈來愈規范、愈來愈高。不但要求白天可見光照明監控，而且要求夜間隱蔽性監控。傳統的照明燈光經常會引起別人的注意，提醒入侵者“裝有電視監控統”,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的電子激發或泵浦到較高能態上去，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zui高可達92～95%。
紅外燈泡zui大的優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zui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，*可以為隱蔽式電視監控系統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工作。
另外，還有一種特別的配置，它使用鹵鎢燈作為系統的光源，同時還使用了一種*的濾光和冷卻技術。這套照明系統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。外殼是一個的散熱器，可以很快地將產生的熱量散走。這種系統可以在高溫環境中連續工作，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PAR 56密封鹵鎢燈泡，作出500瓦紅外光源。這種PAR 56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*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出的光。熱紅外光源照明系統，通過配用不同的前鏡頭，可以發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zui窄可以達到10度，zui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60 9.1
聚光燈 帶濾鏡的鹵鎢白熾燈 100W 水平10/垂直10 61.0
寬泛光燈 帶濾鏡的鹵鎢白熾燈 500W 水平40/垂直16 27.4
聚光燈 帶濾鏡的鹵鎢白熾燈 500W 水平12/垂直8 137.2
泛光燈 帶濾鏡的弧氙燈 400W、交流 40 152.4
聚光燈 帶濾鏡的短弧氙燈 400W、交流 12 457.2
泛光燈 發光二極管（TaAs） 50W（直流12V） 30 61.0
泛光燈 發光二極管（TaAs） 8W（直流12V） 40 21.3
注：1、發光二極管發出的是850nm以上的不可見紅外光；
2、鹵鎢燈和氙弧燈使用的濾鏡是可見光阻隔濾鏡。
紅外發光二極管（LED）光源
LED是發光二極管（Light Emitting Diode）的簡稱，是一種注入式電致發光器件，它主要由P型和N型半導體材料組合而成。其結構示意如圖1所示（見圖1）。實際是將PN結管芯燒結在金屬或陶瓷底座有引線的架子上，然后四周用起到保護內部芯線作用的環氧樹脂密封就可構成。
這種LED燈的發光原理是：在半導體發光二極管（LED）的PN結上加正向電壓時，使電子和空穴載流子在結區相遇復合（結區變窄），其實質是電子從高能級的導帶釋放能量回到價帶與空穴復合，這種把多余的能量以光子的形式釋放出來，就把電能直接轉換成了光能，即發光。根據半導體物理中的公式
入 ＝ 1240/Eg （1）
式中，Eg為某半導體材料導帶與價帶之間的禁帶寬度，其單位為電子伏特；入為波長，式中的單位為nm。當采用砷化鎵半導體（當然也還有其他材料的半導體）時，其禁帶寬度Eg，決定它只能發出近紅外光。
砷化鎵LED的電源線共有兩根，在加正向電壓通電后，即會發出紅外光，光線經過前端球形鏡頭的放大后就會射到場景中去。要想照亮一定距離的場景，常常需要幾十、幾百個LED構成的平面式陣列。發光二極管陣列的發光量，是全部發光二極管發光量的總和。因此，可根據場景的情況，尤其距離的遠近來配備LED的多少。各個發光二極管的紅外光輸出合并起來，就可以產生足夠多的光線，使其足以照亮被監視的現場，從而使得固態CCD攝像機可以產生高質量的黑白視頻圖像。
LED的zui大輻射強度一般在光軸的正前方，并隨輻射方向與光軸夾角的增加而減小。輻射強度為zui大值50%的角度時，稱為半強度輻射角。不同封裝工藝型號的紅外發光二極管的輻射角度有所不同。
這種發光器件和白熾燈泡相比，有體積小、耐沖力、壽命長、功耗低、響應快、可靠性高、顏色鮮明、易和集成電路匹配等特點，因而獲得了廣泛的應用。
目前，隱蔽式監控系統中使用zui普遍的照明燈具，多是半導體砷化鎵發光二極管陣列組成的紅外燈。因為砷化鎵（GaAs）LED只發出近紅外光，所以這種燈可以發出窄帶紅外光，絕不會發出可見光。它的光轉換效率也相當高，一般可以將50%的電能轉換成紅外光輻射能量。這種燈在略高于室溫的溫度下工作時，幾乎不發熱，因此也就不需要特別的冷卻裝置。
尤其現在可使用的美國Pacific Cybervision公司開發生產的陣列式集成發光芯片LED Array。其一個LED-Array的光學輸出達到了800mw～1000mw，成為普通LED的換代產品,LED-Array的發光半功率角為10～120°（可變角）。由于LED-Array為高度集成的LED，且體積只有一個一分錢硬幣的大小，在室內可均勻照亮全部空間,其壽命為50,000個小時。它zui初是運用在航空飛機上面，近年來由于民用夜間監控市場的發展，LED-Array才逐步走向民用市場，成為高質量夜間監控的一種理想選擇。
此外，還可將紅外發光二極管裝在鏡頭上，與黑白CCD攝像機配用，或直接裝在攝像機與鏡頭接口周圍的機殼上。顯然，這兩種裝配的紅外LED少，其照射的距離肯定不如單獨的紅外LED燈照射的遠。
紅外激光二極管（LD）光源
半導體激光器是一種新型的發光器件，和上述光源相比，它有方向性強、單色性好、相干性好、亮度高等突出優點。但是，要得到激光必須滿足3個基本條件：
1、要把處于較低能態的電子激發或泵浦到較高能態上去，為此需要泵源；
2、要有大量粒子分布反轉，使受激輻射足以克服損耗；
3、要有一個共振腔提供正反饋及增益，用以維持受激輻射的持續振蕩。
根據產生激光所必須滿足的要求，激光器一般由激發裝置（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*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。為實現分布反轉，結區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，平衡態時，P區價帶頂沒有電子，N區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區越過勢壘與P區的空穴復合，發射出能量等于hυ的光子。空穴也可由P區流入N區與電子復合發射光子。當外加電壓足夠大（qV≥Eg），使hυ≥Eg時，勢壘區和其兩側一個擴散長度范圍內將出現一個分布反轉區，這就是發射激光的工作區。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，不能實現室溫下的連續振蕩，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，實現室溫下連續振蕩，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，但也只能實現室溫下的脈沖振蕩。為進一步降低閾值電流，實現室溫下的連續振蕩，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。作用區兩側具有對稱性，因而激光作用區在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象，使工作區電子、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生較大突變，所以光子被更有效地限制在作用區內。因此，雙異質結激光器的閾值電流進一步降低到1000~3000A/cm2，實現了室溫下的連續振蕩。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紅外光 幾百W 10o～60o 幾百m 大 高 較少
紅外LED 電子空穴復合發光 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 諧振激發發光 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、發光角度可調寬，是高質量夜間監控的一種理想選擇。
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控，還是要選擇紅外LD光源。
值得指出的是，紅外光源的選擇zui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控系統工程來考慮設計。
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，還要注意其發熱與散熱問題，要注意選擇紅外燈的供電與燈板分開的紅外光源，并且，還必須要有光控開關，紅外燈只有在夜間才打開。
結語
由上可知，三種紅外光源各有其優劣，但熱紅外光源基本被紅外LED及LED-Array光源所淘汰。因為用LED-Array也*可照射到幾百米監控場景的距離。至于1km以上的超遠距離的監控場景，還是應選用紅外LD光源為好，因為它的亮度高，一個LD頂好多LED，且體積小、重量輕，是超遠距離的*選擇。
