紅外LED在閉路電視攝像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

在當(dāng)今日益注重安全的世界中，閉路電視攝像機(jī)市場正在全球范圍內(nèi)不斷擴(kuò)展。高級IP視頻等技術(shù)正在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。卓越的壓縮標(biāo)準(zhǔn)和更快的圖像處理正在擴(kuò)大應(yīng)用潛力。無論是用于訪問控制，入侵者警報(bào)還是一般犯罪預(yù)防，在隱蔽或半隱蔽模式，室內(nèi)或室外，閉路電視廣泛用于消費(fèi)/私營部門，零售和工業(yè)場所，以及公共，公民和政府建筑適用于民用和軍用應(yīng)用。

在夜視和低光照下錄制時(shí)，紅外LED是關(guān)鍵部件。例如，紅外LED照明器模塊是當(dāng)今大多數(shù)CCTV攝像機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，通常與復(fù)雜的圖像增強(qiáng)和控制電子功能相結(jié)合。重要的是，現(xiàn)代紅外LED比前幾代技術(shù)更先進(jìn)，更可靠，壽命更長。

本文將考慮用于閉路電視攝像系統(tǒng)時(shí)紅外LED的選擇標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)限制，特別是對于此類應(yīng)用。作為訪問控制。例如，所需的范圍可以從幾米到100米或更多。高功率器件可提供更高的光輸出，并提供各種發(fā)射角度。具體應(yīng)用將確定IR LED所需的參數(shù)組合。例如，遠(yuǎn)距離照明需要高功率和窄錐體;廣角設(shè)備更適合近場可見性應(yīng)用。

市場增長

根據(jù)ReportLinker提供的報(bào)告，截至2014年底，全球閉路電視市場估計(jì)價(jià)值235億美元。收入據(jù)預(yù)測，基于IP的網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)去年首次超過傳統(tǒng)模擬閉路電視攝像機(jī)。報(bào)告強(qiáng)調(diào)，對技術(shù)先進(jìn)監(jiān)控的需求增加，包括基于云的視頻監(jiān)控服務(wù)，以及重要的反恐分析，正在推動(dòng)增長。

IHS Research的另一份報(bào)告估計(jì)到2018年視頻監(jiān)控設(shè)備和存儲市場價(jià)值將達(dá)到280億美元。同樣，據(jù)報(bào)道，從模擬到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的遷移推動(dòng)增長。

在這個(gè)市場中，訪問控制是一個(gè)不斷增長的應(yīng)用程序部門，2012年價(jià)值30億美元，預(yù)計(jì)到2017年將增長到42億美元。智能建筑正在引領(lǐng)向基于IP的訪問控制視頻監(jiān)控的過渡據(jù)一家領(lǐng)先的央視供應(yīng)商稱。提取視頻數(shù)據(jù)的能力，結(jié)合設(shè)計(jì)多功能性，易于配置和遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)，表明網(wǎng)絡(luò)視頻克服了以前在模擬系統(tǒng)中認(rèn)可的限制，并促進(jìn)了與其他安全機(jī)制的集成。

A TechNavio發(fā)布的報(bào)告，可從Global Information獲得，涵蓋2014 - 2019年全球視頻監(jiān)控市場，預(yù)測此期間復(fù)合年增長率為24.08%。報(bào)告確定的關(guān)鍵市場驅(qū)動(dòng)因素是對高分辨率圖像質(zhì)量的需求。諸如H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)，先進(jìn)的相機(jī)內(nèi)圖像處理和寬屏HDTV監(jiān)視器等技術(shù)相結(jié)合，可滿足這一需求。同時(shí)，IP視頻網(wǎng)絡(luò)被證明是一個(gè)引人注目的解決方案，因?yàn)樗梢蕴岣吖δ芎托阅?，遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)，并促進(jìn)數(shù)據(jù)分析，報(bào)告總結(jié)道。

夜間光源

近紅外光譜的范圍為700 nm至1050 nm左右。紅外LED被證明是夜視應(yīng)用中使用的CCTV攝像機(jī)的有用光源，其光照水平非常低。兩種最常用的波長以850 nm和940 nm為中心。光譜發(fā)射范圍與標(biāo)準(zhǔn)光電二極管，光電晶體管或具有擴(kuò)展紅外靈敏度的CCD和CMOS相機(jī)的靈敏度范圍很好地匹配。

Osram Opto Semiconductors的應(yīng)用筆記題為“用于照明應(yīng)用的高功率發(fā)射器”，為使用紅外照明的相機(jī)系統(tǒng)提供了有用的介紹和一般設(shè)計(jì)指南。在操作中，來自物體的反射或散射光由CCD或CMOS相機(jī)檢測，其產(chǎn)生模擬或數(shù)字信號。為了確?？梢赃M(jìn)一步分析的高質(zhì)量信號，需要高輸出信號和低噪聲水平。在變化的光線條件下，信噪比會顯著下降，需要額外的人造光來改善圖像質(zhì)量。

人眼可以看到紅外光源，最高可達(dá)780 nm左右，高強(qiáng)度光源可以辨認(rèn)為微弱的紅光，達(dá)到850 nm左右。這些低波長設(shè)備用于半隱蔽應(yīng)用中的閉路電視攝像機(jī)。對于隱蔽操作以及要避免光污染的應(yīng)用，更高波長的設(shè)備是首選。但是，較少的相機(jī)對940 nm光源敏感，照明范圍可能更短。

紅外LED可用于覆蓋幾米到200米或更遠(yuǎn)的范圍。一般而言，對于較長距離，需要具有窄光束角度的裝置，從而產(chǎn)生長光錐。對于人員識別和訪問控制應(yīng)用，典型的范圍為5到10米。紅外LED的發(fā)射角度可以窄至5°，寬度可以達(dá)到150°。

近年來，紅外LED已經(jīng)變得更加強(qiáng)大，功率效率更高，范圍更廣工作在900 mW或更高的型號。這對于長距離照明至關(guān)重要，并為IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供更好的圖像質(zhì)量。中檔設(shè)備的功率為600 mW，而適用于遙控器等應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)低功率二極管的功率為250 mW。對于低功率器件，電壓要求通常為1.2至1.7 V，對于高功率發(fā)射器，電壓要求高達(dá)3 V.高強(qiáng)度應(yīng)用越來越需要高達(dá)1A的直流電流。必須進(jìn)一步考慮光源的輻射強(qiáng)度(以mW/sr測量)和物體的反射率，通常以μW/cm 測量。輻射強(qiáng)度表示立體角區(qū)段內(nèi)的光輸出，因此定義了光束的強(qiáng)度。

Osram應(yīng)用筆記中提供了有關(guān)特定應(yīng)用所需的光強(qiáng)度和功率輸出數(shù)量的計(jì)算指南。

多個(gè)發(fā)射器可用于提供所需的光輸出。新技術(shù)允許開發(fā)更小，更高功率的發(fā)射器，并且多芯片和堆疊發(fā)射器陣列在非常小的封裝中實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度IR照明源。然而，熱管理和功耗是必須仔細(xì)考慮的重要設(shè)計(jì)問題。

圖1：相機(jī)系統(tǒng)的視場(FOV)。

在實(shí)踐中，設(shè)計(jì)師還需要考慮典型的物體尺寸，與相機(jī)的距離以及所需的圖像分辨率，光學(xué)相機(jī)系統(tǒng)的屬性(傳感器尺寸，物鏡)及其視野(FOV)。見上面的圖1。來自二極管的發(fā)光模式需要盡可能地匹配相機(jī)FOV。如果光束角太窄，則不是所有目標(biāo)都可以被充分照射。如果太寬，相機(jī)可能無法檢測到一些反射光，從而降低了圖像質(zhì)量?？赡苄枰紤]輔助鏡頭以確保IR LED正確照亮相機(jī)所需的視野。 LEDiL等公司提供的產(chǎn)品范圍廣泛，適合各種制造商的設(shè)備。

實(shí)現(xiàn)所需的信噪比取決于相機(jī)中使用的CCD/CMOS芯片的光譜靈敏度和量子效率曲線和整合時(shí)間。

典型設(shè)備

雖然有許多制造商用于閉路電視攝像機(jī)應(yīng)用的850和940納米紅色LED，包括Everlight和Vishay，但歐司朗提供了一個(gè)最廣泛的范圍，模型涵蓋寬范圍的功率輸出，輻射強(qiáng)度和發(fā)射角度，以及多種封裝選項(xiàng)。

Oslon Black SFH4715A 850 nm紅外LED是歐司朗高功率，小型封裝器件的典型代表，是CCTV應(yīng)用的理想選擇。功率輸出為800 mW，光束角為90°，可用于照亮100米外的物體，具體取決于所用外部光學(xué)元件的類型。該范圍內(nèi)還有850 nm SFH4715S，正向電壓為2.9 V，半角為45°。兩者都具有320 mW/sr的輻射強(qiáng)度。

圖2：歐司朗的Oslon Black SFH4725S采用黑色封裝，專為真正的秘密監(jiān)視操作而設(shè)計(jì)。

隱蔽應(yīng)用中，940 nm器件更為合適。歐司朗提供Oslon Black SFH4725S系列，輸出電流為1A時(shí)光輸出為980 mW。正向電壓為2.75 V. SFH 4725S在90°發(fā)射角下的輻射強(qiáng)度為450 mW/sr，在被監(jiān)控區(qū)域提供卓越的照明。該器件采用Osram的Nanostack技術(shù)，在單個(gè)芯片中具有兩個(gè)發(fā)射中心。這有效地減少了光輸出所需的器件數(shù)量。此外，包含在黑色包裝中，該設(shè)備完全隱藏在相機(jī)鏡頭后面。