光电发光器件及其在安防中的应用

更新时间:2023-03-29
       在光电信息系统中,光是信息的载体,光源的质量对系统往往起着关键的作用。了解各种光源的基本特性参数和特点,对设计视频监控系统与光电信息系统是十分重要的。本章主要介绍光电信息系统与安防监控系统中常用的及新型的发光光源,如常用的普通光源、环保白光LED灯与平面分布式OLED灯、发光二极管、激光器主要是应用广泛的半导体激光器,并简介新的光纤激光器与光子晶体激光器)等,以及它们在安防系统中的应用。

常用的普通光源及其在安防中的应用

1.光源的基本特性参数

      一般,要应用光源,必须了解它的特性参数才好进行光源的选择。通常光源有下列几个最基本的特性参数。
1.发光效率
       在给定的波长范围小λ1〜λ2内,某一光辐射源所发岀的辐射通量Φe与产生该辐射通量所需要的电功率P之比,称为该辐射源的辐射效率,它表示为
       某一光源所发出的光通量©v与产生该光通量所需要的功率P之比,称为该光源的发光效率,即
式中,nv的单位为Im/W。显然,在应用中宜选用发光效率高的光源,以节省能源。 

2.光谱的功率分布

       光源输出的功率与光谱有关,即与光的波长/有关,称为光谱的功率分布,常见的有四种典型的分布,如图2-1所示。

图2-1   光源光谱的4种功率分布
       图2-1(a)为线状光谱,它由若干条明显分隔的细线组成,如低压汞灯光谱;图2-1(b)为带状光谱,它由一些分开的谱带组成,每一谱带中又包含许多连续的细谱线,如高压汞灯光谱;图2-1(c)为连续光谱,光源发出的谱线连成一片,如白炽灯、卤素灯光谱;图2-1(d)为复合光谱,它由连续光谱与线状、带状光谱组合而成,如荧光灯光谱。
       在选择光源时,为了最大限度地利用光能,应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致,其光谱的功率分布还应根据被检测对象的要求来决定。对于目视测量,一般可以选用可见光谱辐射比较丰富的光源;对于目视瞄准,为了减轻人眼的疲劳,宜选用绿光光源;对于彩色摄像用光源,为了获得较好的色彩还原,则应该釆用类似于日光色的光源,如白炽灯、卤钙灯与氙灯。同样,对于紫外和红外测量,也宜选用相应的紫外灯(笊灯、紫外汞灯、汞氙灯)和红外灯等。
3.光强的空间分布
        由于光源发光的各向异性,许多光源的发光强度在各个方向是不同的。若在光源辐射光的空间某一截面上,将发光强度相同的点连线,就得到该光源在该截面的发光强度分布曲线,称为配光曲线。HG500型发光二极管的配光曲线如图2-2所示。为了提高光的利用率,一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为了充分利用其他方向的光(如背面方向的光辐射),可以安装反光罩,反光罩的焦点应位于光源的发光中心上。
4.光源的温度与颜色
       (1)光源的温度。由物理学知,能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体称为绝对黑体(黑体),用人工方法制作的黑体辐射器,其光谱辐射特性非常接近黑体。任何物体,只要其温度在绝对零度以上,就向外界发出辐射,称为温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体,黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于非黑体辐射源,它的某些特性常用黑体辐射特性近似地表示。一般地,光源的温度常用色温、相关色温、分布温度表小。
      色温是辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同,则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。由于一种颜色可以由多种光谱分布产生,所以色温相同的光源,它们的相对光谱功率分布不一定相同。
       若一个光源的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同,这时的光源即用相关色温表示,这个相关色温是指在均匀的色度图中光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近,则该黑体的温度称为该光源的相关色温。
       分布温度是指辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致,这时该黑体辐射的分布温度就称为这个辐射源的分布温度。分布温度实际上是色温的一个特例,当光源的光谱能量分布和黑体相近时,该光源的色温就和它的分布温度一致了。
       (2)光源的颜色。光源的颜色通常包含有两方面的含义,即色表和显色性。一般用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表,如高压钠灯的色表呈黄色,荧光灯的色表呈白色等。当用这种光源照射物体时,物体呈现的颜色(即物体反射光在人眼内产生的颜色感觉)与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性,称为该光源的显色性。
       显然,光源的颜色与发光波长有关,复色光源如太阳光、白炽灯、卤钙灯、镝灯等发光一般为白色,其显色性较好,适合于辨色要求较高的场合,如用于彩色摄像、彩色印刷及染料等行业。高压汞灯、高压钠灯等显色性差一些,一般用于道路、隧道、码头等颜色要求较低的场合。还有单色光源,如He-Ne激光为红色、氙灯与钠灯发光为黄色、笊光为紫色等,用于要求单色的地方。总之,光的颜色对人眼的工作效率有影响,如绿色比较柔和,而红色则使人容易疲劳,因此用颜色来进行检测也是一门专门的技术。
       在光电信息系统中,为了减少光源温度对系统的影响,应釆用冷光源或者设法减少热辐射的影响。

常用的普通光源

常用的普通光源有热辐射光源与气体放电光源两类。

1.热辐射光源

      物体温度大于绝对零度时就会向外辐射能量,物体由于温度较高而向周围温度较低环境发射能量的形式称为热辐射,其辐射以光子形式进行,因而我们就会看到光。这种热辐射的物体就称为热辐射光源,常见的热辐射光源有以下几种。
      (1)太阳光。太阳是直径约为1.392x109m的光球,它到地球的年平均距离是1.496x10"m。因此,从地球上观看太阳时,太阳的张角只有0.533°。太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射,其平均亮度为1.95x109cd/m²。
       太阳向地球辐射的热称为阳光,阳光是复色光,太阳光源是很好的平行光源。太阳光的照度值在不同光谱区所占百分比是不同的,紫外区约占6.46%,可见光区占46.25%,红外光区占47.29%。
       辐射到地球上的太阳光,要穿过一层厚厚的大气层,因而在光谱、空间分布、能量大小、偏振状态等方面都发生了变化。大气中有光谱选择性的吸收介质,如水气、氧、臭氧、二氧化碳、一氧化碳,以及其他碳氢化合物等,都会在不同程度上吸收太阳辐射。
       (2)白炽灯。白炽灯是光电信息系统中最常用的光源之一,它发射的是连续光谱,在可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5%,而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2%。由于它的发光特性稳定、简单、可靠,使用和量值复现方便,因而得到广泛应用,并且也用作各种辐射度量与光度量的标准光源。
       白炽灯有真空钙丝灯、充气鸨丝灯和卤雪灯等。真空鸨丝灯是将玻璃灯泡抽成真空,鸨丝被加热到2300-2800K时发出复色光,其发光效率低,约为10lm/W。
       充气钨丝灯是在灯泡中充入和钙不发生化学反应的氣气、氮等惰性气体,当灯丝蒸发出来的钙原子与惰性气体原子相碰撞时,部分钙原子会返回灯丝表面而有效地抑制钙的蒸发,从而延长灯的寿命,使工作温度提高到2700-3000K,发光效率提高为17lm/W。
       卤钨灯是在灯泡内充有卤族元素(氯化碘、漠化硼等),钙丝被加热后,蒸发岀来的鸨原子在玻璃壳附近与卤素合成为卤鸨化合物,如Wl2、WBr等。然后,卤鸨化合物又扩散到温度较高的灯丝周围且又被分解成卤素和钙,而钙原子又沉积到灯丝上,弥补鸨原子的蒸发,以此循环而延长灯的寿命,使卤鶴灯的工作温度达3000-3200K,发光效率提高到30lm/Wo
       白炽灯的灯压决定了灯丝的长度,供电电流决定了灯丝的直径,100W的钨灯发出的光通量大约为200lm„白炽灯的供电电压对灯的参数(电流、功率、寿命和光通量)有很大的影响,例如额定电压为220V的灯泡降压到180V使用,其发光的光通量降低到62%,但其寿命延长13.6倍。灯泡寿命的延长将使光电系统的调整次数大为减少,也提高了系统的可靠性。如光栅莫尔条纹法测量,常用6V、5W的白炽灯照明,若降压至4.5V使用,灯的寿命将延长20倍左右。
       白炽灯泡的灯丝形状对发光强度的方向性有影响,普通照明常用W形灯丝,使灯360。发光;而光栅莫尔条纹测量则用直丝形状灯泡,且灯丝长度方向应与光栅刻线方向一致。

2.气体放电光源

       利用气体放电原理来发光的光源,称为气体放电光源。例如,将氢、氦、氘、氙、氪或者金属蒸气(汞、钠、硫等)充入灯中,在电场作用下激励出电子和离子。当电子向阳极,离子向阴极运动时,由于其已经从电场中获得能量,当它们再与气体原子或分子碰撞时激励出新的原子和离子,如此碰撞不断进行,使一些原子跃迁到高能级。由于高能级的不稳定性,处于高能级的原子就会发出可见辐射(发光)而回到低能级。如此不断地进行,就实现了气体持续放电、发光,这就是气体放电发光的原理。
       由于气体放电光源可充不同的气体或金属蒸气,从而形成放电介质不同的多种光源,即使充同一种材料,由于结构不同又可构成多种灯。如汞灯就可分为:低压汞灯(<0.8Pa),这又可分为冷阴极辉光放电型和热阴极弧光放电型两类;高压汞灯(l〜5Pa),发光效率达40〜50lm/W;超高压汞灯(10〜200Pa)。又如氙灯,其辐射光谱也是连续的,与日光的光谱能量分布相接近,色温6000K左右,显色指数达90以上,因此有“小太阳”之称。氙灯又分脉冲氙灯、长弧氙灯和短弧氙灯。此外,还有用于微量元素光谱分析的原子光谱灯等。
       总之,气体放电光源的种类很多,但它们具有的共同特点是:
     (1)发光效率高,比同瓦数的白炽灯高2〜10倍,因而可节省能源。
     (2)结构紧凑,耐震、耐冲击。
     (3)寿命长,大约是白炽灯的2〜10倍。
     (4)光色适应性强,可在很大范围内变化。如普通髙压汞灯发光波长为400-500nm,低压汞灯则为紫外灯,钠灯呈黄色(589nm),館灯近日色,而水银荧光灯为复色。
       由于以上特点,气体放电光源具有很强的竞争力,因而经常被用于工程照明和光电信息系统之中。

常用的普通光源在安防中的应用

1.在视频监控中作照明光源

      众所周知,要监控所需的场景,必须有光源对监控场景的照明。在选择照明光源时,除主要考虑它的指标和能量要求外,还必须考虑它的尺寸、形状、光源与光源之间的距离,以及光源与被照表面之间的距离。要想为建筑中的门厅、楼梯间、周界、停车场等场所的安全应用提供充足的照明光线,就必须采用不同的照明光源设计。
       值得指出的是,大多数视频监控系统工程,实际上都是在己建好的建筑物和已有照明光源的情况下进行的,因而视频监控系统的设计者常常无法在监控现场增加照明光源设施,或更改原有的照明光源系统的设计,所以,只能先评估监控现场的照度水平,再选择适合这个照度水平的摄像机来获得满意的图像。在现场的照明光线确实不够用的情况下,往往只能在现有的照明光源设施中间加装新的照明灯具,以满足摄像机对监控现场的照度的需要。
       现场中的自然光源和人造光源会极大地影响视频监控系统最终取得的图像质量,以及监控场景画面中所携带的信息量。如要取得最理想的效果,就必须仔细分析光源的各种指标(如光谱组成、照度、光束模式等),并使其与摄像机的光谱特性和灵敏度相匹配。在设计彩色视频监控系统时,更需加倍小心,因为彩色摄像机只有在白天的自然光线和宽频谱的人造光线下才能正常工作。如果现场的照度看起来不太够,应该使用硅光电池探测的照度计,实际测量一下摄像机的安装位置可以接收到的光线照度值。如果在使用标准摄像机时,光线仍不够充足,就要使用额外的照明光源,或者采用灵敏度更高的增强型低照度摄像机才行。

2.作热红外光源

       随着安防行业的发展,24小时不间断地监控对夜视要求越来越高,尤其要求夜间隐蔽性监控。因为传统式的照明灯光经常会引起别人的注意,会提醒入侵者“装有视频监控系统”,或者会影响周围的住户。而安装红外光源则不存在这些问题。因为红外光是一种波长大于780nm的不可见光。
       一般,产生这种不可见光的红外光的方法有下列三种。
       (1)热红外光源:直接使用白炽灯或侃灯发岀的红外光,即在这两种灯上安装可见光滤镜滤去可见光,只让看不见的红外射线射出。
       (2)红外发光二极管LED光源:即用红外LED或LED阵列来产生红外光。这种器件是通过半导体中的电子与空穴复合来产生红外光的。
       (3)半导体红外激光光源:即使用红外激光二极管LD,它把处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去,通过大量粒子分布反转,共振而维持受激辐射。
       前两种方法都能生成或窄或宽的光束。在使用对红外线较为敏感的摄像机,如CCD或CMOS摄像机、低照度增强型摄像机观察场景时,可以获得质量相当高的图像。第三种光源的光束细而强,要照亮一定范围的场景,需要通过光学扩束镜头扩束,目前多用于1km以上距离的监控场景的夜视照明。这里只介绍第一种用普通光源作的热红外光源,其余两种将在后面陆续论述。 
       通常,物体在温度较低时产生的热辐射全部是红外光,所以人眼不能直接观察到。在热辐射光源中通过加热灯丝来维持它的温度,供辐射继续不断地进行。辐射体在不同加热温度时,辐射的峰值波长是不同的,其光谱能量分布也是不同的。根据以上原理,经特殊设计和工艺制成的红外灯泡,其红外光成分最高可达92%〜95%。
       红外灯泡最大的优点是可制成比较大的功率和大的辐照角度,因此照射距离远。其最大不足之处是包含可见光成分,即有红暴,且使用寿命短,如果每天工作10h,只能使用一年多,若考虑散热不够,寿命还要短。为提高热辐射红外灯的寿命,釆用了光控开关电路,以减小其工作时间。此外,还增加了延时开关电路以防环境光干扰。
       一般,氙灯和白炽灯可以照亮距离摄像机一百多米外的场景,因此,在其前端配一个只让红外线通过的滤镜,完全可以为隐蔽式视频监控系统提供足够的红外射线。由于这种热红外光源要消耗大量的能量,产生大量的热,所以这种光源需要配备特制的散热器或冷却设备,才可以使其能够持续工作。热红外光源照明系统,通过配用不同的前镜头,可以发出用于覆盖较大范围场景的宽光束或用于观察远处目标的聚光光束等不同形状的光束,以适应现场的具体需要。表2-1列举了常用热红外灯的类型,以及它们的水平和垂直光束角及照射距离。由表2-1可见,光束角最窄可以达到10°,最宽则可以达到60°o
表2-1常用热红外光源及其光束角与照射距离
 
光源的类别 灯的种类 输入功率及电压 光束角(°) 照射距离m)
宽泛光灯 带滤镜的卤钙白炽灯 100 W 水平60/垂直60 9.1
聚光灯 带滤镜的卤鸨白炽灯 100 W 水平10/垂直10 61.0
宽泛光灯 带滤镜的卤铛白炽灯 500 W 水平40/垂直16 27.4
聚光灯 带滤镜的鹵售白炽灯 500 W 水平12/垂直8 137.2
泛光灯 带滤镜的弧侃灯 400 W、交流 40 152.4
聚光灯 带滤镜的短弧值灯 400 W、交流 12 457.2
 
注:卤铝灯和侃弧灯使用的滤镜是可见光阻隔滤镜’
        此外,常用普通光源目前还被用作LCD显示及其投影显示的背光源等。
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