攝像機(jī)在日常生活中處處可見，但是攝像機(jī)普遍使用紅外攝像機(jī)，但是有多少人知道他的原理呢，下面我們來說一說紅外攝像機(jī)的原理以及如何選擇。

一、紅外基本原理介紹

光是一種電磁波，它的波長區(qū)間從幾個(gè)納米(1nm=10-9m，十億分之一米)到 1 毫米(mm)左右。人眼可見的只是其中一部分，我們稱其為可見光，可見光的波長范圍為 380nm ～ 780nm，可見光波長由長到短分為紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫光。其中波長比紅光長的稱為紅外光，波長為1毫米到770納米之間，光譜上面在紅色光的外側(cè)。

自然界任何物體在絕對零度(-273°C)以上都有紅外光發(fā)射，利用這個(gè)原理，人們發(fā)明了被動(dòng)紅外攝像技術(shù)。被動(dòng)紅外攝像技術(shù)主要通過探測目標(biāo)物體的紅外輻射，并通過光電轉(zhuǎn)換、信號處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的設(shè)備。由于它只是感應(yīng)物體溫度的分布，并不能很好的區(qū)分物體的細(xì)節(jié)。目前主要用于目標(biāo)物特征分析、熱傳導(dǎo)研究、地表/海洋熱分布研究等。

主動(dòng)紅外攝像技術(shù)是利用特制的“紅外燈”人為產(chǎn)生紅外輻射，發(fā)出紅外光去照射物體，利用成像元件(CCD或CMOS)去感受周圍環(huán)境反射回來的紅外光，從而實(shí)現(xiàn)夜視功能。

二、 紅外燈的分類及特點(diǎn)

紅外燈按紅外光輻射機(jī)理分為半導(dǎo)體固體發(fā)光(LED紅外燈，激光紅外燈)和紅外線燈或熱輻射紅外燈兩類。

a.紅外發(fā)射二極管( LED )紅外燈的原理及特性

由紅外發(fā)光二極管矩陣組成發(fā)光體。紅外發(fā)射二極管由紅外輻射效率高的材料(常用砷化鎵)制成 PN 結(jié)，外加正向偏壓向 PN 結(jié)注入電流激發(fā)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，為普通 CCD 黑白攝像機(jī)可感受的范圍。其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以完全無紅暴，(采用940 ～ 950nm 波長紅外管)或僅有微弱紅暴(紅暴為有可見紅光)，壽命長。

圖1 紅外LED燈攝像機(jī)

紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率用輻照度μ W/m2 表示。一般來說，其紅外輻射功率與正向工作電流成正比，但在接近正向電流的最大額定值時(shí)，器件的溫度因電流的熱耗而上升，使光發(fā)射功率下降。紅外二極管電流過小，將影響其輻射功率的發(fā)揮，但工作電流過大將影響其壽命，甚至使紅外二極管燒毀。

當(dāng)電壓越過正向閾值電壓(約 0.8V 左右)電流開始流動(dòng)，而且是一很陡直的曲線，表明其工作電流對工作電壓十分敏感。因此要求工作電壓準(zhǔn)確、穩(wěn)定，否則影響輻射功率的發(fā)揮及其可靠性。輻射功率隨環(huán)境溫度的升高 ( 包括其本身的發(fā)熱所產(chǎn)生的環(huán)境溫度升高 ) 會使其輻射功率下降。紅外燈特別是遠(yuǎn)距離紅外燈，熱耗是設(shè)計(jì)和選擇時(shí)應(yīng)注意的問題。

b.點(diǎn)陣紅外燈的原理及特性

陣列紅外夜視技術(shù)，本質(zhì)還是通過攝像機(jī)發(fā)射主動(dòng)紅外光波的方式實(shí)行夜視效果，但采用了先進(jìn)的封裝技術(shù)，將幾十個(gè)高功率、高效率的紅外晶元封裝在一個(gè)平面上。

陣列紅外攝像機(jī)在監(jiān)控領(lǐng)域中應(yīng)用的最大優(yōu)勢在于解決了LED光源散熱的問題，具有極高的發(fā)光效率和發(fā)光強(qiáng)度，光電轉(zhuǎn)換效率比普通紅外LED攝像機(jī)提高了25%左右，效率可達(dá)到45%，大大的降低能耗，增加照明距離，同時(shí)延長了攝像機(jī)的使用壽命，陣列紅外夜視攝像機(jī)的使用壽命一般為普通紅外攝像機(jī)使用壽命的9倍。

c.激光紅外燈的原理及其特性

激光紅外燈屬于半導(dǎo)體激光器是利用半導(dǎo)體材料，在空穴和電子復(fù)合的過程中電子能級的降低而釋放出光子來產(chǎn)生光能的，然后光子在諧振腔間產(chǎn)生諧振規(guī)范光子的傳播方向而形成激光。激光紅外燈通常選用810nm半導(dǎo)體激光器。810nm 屬近紅外，和可見光中的紅光波長接近，CCD對810nm波長有比較好的感應(yīng)。

激光有如下明顯優(yōu)勢：(1)方向性：激光器發(fā)射的光，天生就是朝一個(gè)方向射出，光束的發(fā)散角小，接近于理想平行光;(2)單色性：激光的光譜寬度非常的小，是幾個(gè)納米量級。所以其具有良好的單色性光源;(3)亮度高，能量密度大;(4)激光電能到光能的轉(zhuǎn)化效率高，電光轉(zhuǎn)換效率至少55%， LED燈電光轉(zhuǎn)換率最高只能達(dá)到20%。故激光比較適合做窄角度，遠(yuǎn)距離監(jiān)控照明使用，但激光目前造價(jià)比普通LED會高很多，使用范圍受到很大限制，相信隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，激光成本減低的同時(shí)，在照明方面會得到更寬廣的應(yīng)用。

d.熱輻射紅外燈的原理與特點(diǎn)：

熱輻射現(xiàn)象是極為普通的。物體在溫度較低時(shí)產(chǎn)生的熱輻射全部是紅外光，所以人們不能直接觀察到。當(dāng)加熱到500℃左右時(shí)，才會產(chǎn)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，以此來保證輻射不斷的進(jìn)行。輻射體在不同溫度時(shí)，輻射出的峰值波長是不同的，其光譜能量的分布也是不同的。根據(jù)上述原理，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)和特殊工藝制成的紅外燈泡，其紅外光成分可達(dá)92-95%。國外生產(chǎn)的紅外燈，功率可達(dá)100-375W，使用壽命可達(dá)2000-5000d小時(shí)，輻射角可達(dá)60-80°。紅外燈發(fā)射的紅外光譜范圍很寬，波長在800-2500nm之間，這與普通黑白攝像機(jī)感受的寬光譜范圍相一致。熱輻射紅外燈的最大優(yōu)點(diǎn)是可以做到大功率、大輻射角，比較適合遠(yuǎn)距離大場面的場所使用。其缺點(diǎn)是有紅暴，壽命短，按每天使用10小時(shí)計(jì)算，最大壽命5000小時(shí)，也只能使用一年多一點(diǎn)的時(shí)間。

三、使用紅外技術(shù)應(yīng)該注意的問題

紅外燈的選擇最重要的問題是紅外燈與攝像機(jī)、鏡頭、供電電源等成套性。正確的做法應(yīng)該是在設(shè)計(jì)方案時(shí)對所有的器材統(tǒng)一考慮，將它看作是一個(gè)紅外低照度夜視監(jiān)控系統(tǒng)工程要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不能在安裝完攝像機(jī)、鏡頭、防護(hù)罩和電源之后，再去考慮紅外燈。

(1)首先要使用感紅外的攝像機(jī)：

其實(shí)CCD是全光譜器件，所有光都可以感應(yīng)到的，但紅外光對彩色CCD會造成偏色影響，故目前市面上普通彩色攝像機(jī)加了不感紅外的濾光片濾除了紅外光。目前市場中彩色紅外攝像機(jī)有兩種做法，采用雙峰單濾光片和白天夜晚切換不同濾光片的方法。采用雙峰單濾光片是在濾光片上鍍顆同時(shí)透過可見光和紅外光的鍍膜，這種缺點(diǎn)是紅外光可以透過，白天會對彩色圖像色彩造成偏色;電子閥切換不同濾光片的方法，白天用不感紅外的濾光片，夜晚時(shí)切換可透過紅外光的濾光片來感應(yīng)紅外燈發(fā)出的紅外光成像。

(2)鏡頭的選擇

首先要注意攝像機(jī)CCD或CMOS的尺寸，目前攝像機(jī)感光芯片主流尺寸為1/2， 1/3，1/4故不同尺寸規(guī)格的感光芯片需配相應(yīng)規(guī)格的鏡頭，否則匹配不合適或出現(xiàn)暗角或鏡頭角度浪費(fèi)等現(xiàn)象;使用在紅外攝像機(jī)上要選用帶IR功能的鏡頭，普通鏡頭沒有IR鍍膜，會造成白天和夜晚焦點(diǎn)偏差，白天圖像清晰，夜晚圖像模糊的問題;再者鏡頭的角度要和選用的紅外燈發(fā)射角度相匹配，如果鏡頭的角度比紅外燈角度大，會出現(xiàn)“手電筒”現(xiàn)象，中間亮，四周有暗角，如果鏡頭角度比紅外燈角度小則造成部分紅外光浪費(fèi)的問題;其次是注意鏡頭的光圈值，相同焦距不同光圈值的鏡頭進(jìn)光量是有很大區(qū)別的，F(xiàn)1.2和F3.0光圈的鏡頭進(jìn)光量相差6倍。

(3)電源的選擇

選擇電源時(shí)，需考慮電源輸出功耗的冗余，一般電源功耗需大于整體系統(tǒng)所需功耗的20%。如果設(shè)計(jì)電源輸出功耗正好和系統(tǒng)整體功耗相同或略微偏大，電源基本處于滿載狀態(tài)，電源發(fā)熱比較嚴(yán)重，易造成電源帶載能力下降。選擇電源時(shí)也要考慮攝像機(jī)布線上的線損壓降，如果布線距離偏遠(yuǎn)，適量提高電源供電電壓，以滿足遠(yuǎn)距離攝像機(jī)和紅外燈板供電電壓要求。易出現(xiàn)的問題是，電壓偏低紅外燈不能工作在額定電流下，紅外燈板的照射距離將大打折扣。

四、高清監(jiān)控對紅外技術(shù)的要求

高清攝像機(jī)相對于普通攝像機(jī)感光芯片，相同尺寸上像素點(diǎn)成倍數(shù)增加，故造成感光點(diǎn)尺寸相應(yīng)倍數(shù)的減少，所以相同曝光情況下，高清攝像機(jī)相對于普通像素?cái)z像機(jī)低照度會差很多。這就意味著如果做高清攝像機(jī)夜晚紅外補(bǔ)光需要的強(qiáng)度要比普通像素紅外攝像機(jī)高的多。例如一個(gè)130萬像素1/3’尺寸的高清CCD，相對于43萬像素(480線數(shù))1/3’尺寸的普通CCD，單位面積上高清CCD的像素點(diǎn)是普通CCD的3倍，則高清CCD像素點(diǎn)感光性能則為普通CCD感光度的1/3，這就是高清攝像機(jī)夜晚效果差得根本原因?，F(xiàn)在的做法是延長曝光時(shí)間，來彌補(bǔ)低照度性能不好的缺陷，但這樣就造成圖像易出現(xiàn)拖影現(xiàn)象。如果高清夜晚圖像效果要好的話，只能增強(qiáng)外界燈光來彌補(bǔ)此方面的不足。

最后，說完前面部分，下面說一下配置，針對于高清補(bǔ)光方面，高清攝像機(jī)紅外補(bǔ)光對不同距離的監(jiān)控有不同的方案配置。近距離選用角度廣的LED燈板來補(bǔ)光，可實(shí)現(xiàn)廣角監(jiān)控且成本較低，中遠(yuǎn)距離由于需要的補(bǔ)光燈強(qiáng)度比較大，角度小，使用普通的LED很難達(dá)到所需的效果。故在中遠(yuǎn)距離選用具有方向性強(qiáng)，能量集中的激光紅外燈來進(jìn)行補(bǔ)光。以上就是紅外攝像機(jī)的原理以及如何選擇。