實現攝像機夜視的技術,目前都是采用紅外夜視技術,紅外攝像技術分為被動紅外攝像技術和主動紅外攝像技術兩種。

1.被動紅外攝像技術是利用任何物體在絕對零度(-273℃)以上都能輻射電磁波的原理。由于不同物體甚至同一物體不同部位輻射能力和它們對紅外線的反射強弱不同,物體與背景環境的輻射差異以及景物本身各部分輻射的差異,紅外探測器能將強弱不等的輻射信號轉換成相應的電信號,然后經過放大和視頻處,形成可供人眼觀察的視頻圖像,熱圖像能夠呈現景物各部分的輻射起伏,從而能顯示出景物的特征。

同一目標的熱圖像和可見光圖像是不同,它不是人眼所能看到的可見光圖像,而是目標表面溫度分布圖像,不能清楚識別目標的細部特征,不能滿足作為證據的要求,而且被動紅外攝像機造價高,多用在軍事方面,目前在監控領域的應用還很少。

2.主動紅外攝像技術是利用紅外發光二極管人為產生紅外輻射,產生人眼看不見而普通攝像機能捕捉到的紅外光,輔助照明景物和環境,利用攝像機的圖像傳感器可以感受紅外光的特性,感受周圍環境反射回來的紅外光,獲取比較清晰的黑白圖像畫面,實現夜視監控。因此,現在的紅外攝像技術多數采用主動紅外攝像技術,通過紅外燈來配合攝像機使用。

一、主動紅外技術目前比較成熟的有四種形式:

1.傳統led紅外燈:由一定數目的紅外發光二極管矩陣組成發光體。紅外發射二極管由紅外輻射效率高的材料制成pn結,外加正向偏置電壓向pn結注入電流激發紅外光,光譜功率分布為中心波長830~950nm,半峰帶寬約40nm左右,它是窄帶分布,為ccd可感受的范圍。

2.第二代陣列式集成紅外光源:在原有led紅外技術的基礎上,采用了先進的封裝技術,將幾十個高功率、高效率的紅外晶體原封裝在一個平面上,集成了多顆紅外發光芯片在一個小范圍內,并作了熱電分離處理,使得整個零件能置于任意大小、任意形狀的散熱體上,從而解決了散熱問題,不再會由于高溫而傷害了周遭其它電子元器件。

3.第三代點陣式紅外光源:采用高集成led陣列芯片技術,單ledarray的輸出約為800mw~3.6w,電光轉換效率為25%左右,發光體是單光源,發光角度可大可小。

4.激光紅外燈:屬于半導體激光器,是利用半導體材料在空穴和電子復合的過程,以及電子能級的降低而釋放出電子來產生光能的,然后光子在諧振規范光子的傳播方向形成激光。激光有良好的方向性,表現為光束的角度小、能量集中,傳播到較遠的距離仍有足夠的光照強度,所以非常適合遠距離照明。

二、各種紅外技術的成像效果對比分析

1.主動紅外技術與被動紅外技術的對比:

主動紅外技術的攝像機需要借助于紅外發射燈,優點是能夠呈現出目標的細節特征,成本較低;缺點是其照射距離相對較近,成像效果容易受環境影響,尤其是在霧、雪、雨等惡略天氣下,主要應用于檢測目標。

被動紅外技術的攝像機無需借助輔助光源,優點是穿透力強,照射距離遠;缺點是只能呈現目標表面溫度分布圖像,主要應用于發現目標。

2.四種主動紅外技術的對比:

1)傳統led紅外燈,它是目前使用最普遍的紅外發光元器件,幾乎占有95%以上的市場,但品質參差不齊,價格差異也大;

其優點是體積小,生產工藝簡單,品質容易保證、發熱量低、發光光學系統合理,可以完全無紅暴(采用940950nm波長)或僅有微弱紅暴(紅暴為有可見紅光),使用壽命可達幾千小時以上,是做紅外燈理想的器件,目前廣泛用于夜視監控。

其缺點是散熱處理不良,造成周遭溫度太高而影響附近電子元器件的壽命(如攝像機板,控制電路板等)。最為人垢病的是它的光衰減太快,一般不到一年就看不清夜視畫面了。由于是用環氧樹脂進行封裝,環氧樹脂遇熱后會產生斷裂,時間長了,斷裂面就愈來愈多,紅外光線通過每個斷裂面時會有部分光發生折射,這就是為什么傳統led燈光衰減快、壽命短的主要原因。

2)第二代陣列式集成光源,它集成了多顆紅外發光芯片在一個小范圍內,并作了熱電分離處理,使得整個零件能置于任意大小、任意形狀的散熱體上,從而解決了散熱問題,不再會由于高溫而傷害了周遭其它電子元器件。又由于使用的硅膠封裝,材料不斷裂而極大的減少了光衰減,壽命較傳統led燈長了5-10倍。

缺點是價格較傳統led燈高出甚多。而且為了配合攝像機鏡頭的角度而使用透鏡來縮小送光角度時,無可避免的有許多發光點偏離了透鏡的中央(俗稱:偏心現象)而造成送光效率不佳,以致相較于相同功率的傳統led燈而言,不夠亮是其缺點。

3)第三代點陣式紅外光源ledarray,其電光轉化效能為25%左右,較第一代普通紅外led10%左右提升了2.5倍,降低了功耗;單ledarray的輸出約為800mw~3.6w,亮度約是常規單led的輸出5~15mw100多倍;ledarray有效壽命為10,000h,比普通led的有效壽命高出5倍以上;使用金屬制成,操作時易保持低溫,散熱性能良好;ledarray半功率角為10°~120°,可產生(180°形狀)的發光面,解決了普通led室內空間無法均勻照亮的手電筒效應;ledarray為高度集成芯片,所以在相同亮度指標下其體積比其它紅外產品小很多;

第三代點陣式紅外光源,價格更接近傳統led,是目前紅外照明市場上最好的技術,已經在慢慢替代傳統led紅外照明技術。

4)激光照明技術,最遠可達3000米,是常規產品照射距離(120-150米)的20倍以上。激光有良好的方向性,光束的角度小、能量集中,傳播到較遠的距離仍有足夠的光照強度,所以非常適合遠距離照明,適用于大面環境監控、森林防火、景區監控、港口碼頭監控、油田監控等。

但是激光紅外燈的生廠工藝不像led紅外燈一樣,其生產工藝要求非常高。同時激光紅外燈生產需要投入龐大的資金,也是一般廠家所不能完成的。

三、紅外攝像機未來的發展方向

目前的紅外攝像機市場相當混亂,主要在于業界缺乏統一的標準規范。例如,紅外燈的照射距離便常常是各家企業宣傳的重頭戲,彼此間又不太一樣,而究竟照射的距離是在哪個條件下測得的,當時的環境照度如何,呈現出來的畫面品質又如何,卻無從得知,這正是目前紅外攝像機面臨的最嚴峻的考驗,解決掉這個難題成為企業之間共同關注的焦點。

主動紅外技術由早期的有效率僅為5%,發展到現在有效率25-30%ledarray技術,滿足了近距到中遠距離的紅外夜視技術突破,而激光照明技術是實現遠距離的夜視監控的最好途徑之一,而且光強度也比常規光源強的多,遠距離夜視技術是今后夜視監控市場的一個趨勢。

主動紅外技術與被動紅外技術的融合將是未來的趨勢之一,利用被動紅外技術穿透力強,照射距離遠的特點去發現目標,利用主動紅外技術照明的原理去采集目標細節特征,可以為中遠距離監控提供有力的證據。

此外,與另一種夜視技術--微光技術相融合,也是未來的發展方向之一,在微光與紅外技術各自不斷進步的時期,考慮到二者的互補性,在不增加現有技術難度的基礎上,如何將微光圖像與紅外圖像融合以獲取更好的觀察效果,該兩項技術成為當前夜視技術發展的熱點研究。