红外LED在闭路电视摄像系统的设计应用

在当今日益注重安全的世界中，闭路电视摄像机市场正在全球范围内不断扩展。高级IP视频等技术正在推动网络系统和物联网的发展。卓越的压缩标准和更快的图像处理正在扩大应用潜力。无论是用于访问控制，入侵者警报还是一般犯罪预防，在隐蔽或半隐蔽模式，室内或室外，闭路电视广泛用于消费/私营部门，零售和工业场所，以及公共，公民和政府建筑适用于民用和军用应用。

在夜视和低光照下录制时，红外LED是关键部件。例如，红外LED照明器模块是当今大多数CCTV摄像机系统的重要组成部分，通常与复杂的图像增强和控制电子功能相结合。重要的是，现代红外LED比前几代技术更先进，更可靠，寿命更长。

本文将考虑用于闭路电视摄像系统时红外LED的选择标准和设计限制，特别是对于此类应用。作为访问控制。例如，所需的范围可以从几米到100米或更多。高功率器件可提供更高的光输出，并提供各种发射角度。具体应用将确定IR LED所需的参数组合。例如，远距离照明需要高功率和窄锥体;广角设备更适合近场可见性应用。

市场增长

根据ReportLinker提供的报告，截至2014年底，全球闭路电视市场估计价值235亿美元。收入据预测，基于IP的网络视频系统去年首次超过传统模拟闭路电视摄像机。报告强调，对技术先进监控的需求增加，包括基于云的视频监控服务，以及重要的反恐分析，正在推动增长。

IHS Research的另一份报告估计到2018年视频监控设备和存储市场价值将达到280亿美元。同样，据报道，从模拟到网络监控摄像机的迁移推动增长。

在这个市场中，访问控制是一个不断增长的应用程序部门，2012年价值30亿美元，预计到2017年将增长到42亿美元。智能建筑正在引领向基于IP的访问控制视频监控的过渡据一家领先的央视供应商称。提取视频数据的能力，结合设计多功能性，易于配置和远程访问数据，表明网络视频克服了以前在模拟系统中认可的限制，并促进了与其他安全机制的集成。

A TechNavio发布的报告，可从Global Information获得，涵盖2014 - 2019年全球视频监控市场，预测此期间复合年增长率为24.08%。报告确定的关键市场驱动因素是对高分辨率图像质量的需求。诸如H.264压缩标准，先进的相机内图像处理和宽屏HDTV监视器等技术相结合，可满足这一需求。同时，IP视频网络被证明是一个引人注目的解决方案，因为它可以提高功能和性能，远程访问数据，并促进数据分析，报告总结道。

夜间光源

近红外光谱的范围为700 nm至1050 nm左右。红外LED被证明是夜视应用中使用的CCTV摄像机的有用光源，其光照水平非常低。两种最常用的波长以850 nm和940 nm为中心。光谱发射范围与标准光电二极管，光电晶体管或具有扩展红外灵敏度的CCD和CMOS相机的灵敏度范围很好地匹配。

Osram Opto Semiconductors的应用笔记题为“用于照明应用的高功率发射器”，为使用红外照明的相机系统提供了有用的介绍和一般设计指南。在操作中，来自物体的反射或散射光由CCD或CMOS相机检测，其产生模拟或数字信号。为了确保可以进一步分析的高质量信号，需要高输出信号和低噪声水平。在变化的光线条件下，信噪比会显着下降，需要额外的人造光来改善图像质量。

人眼可以看到红外光源，最高可达780 nm左右，高强度光源可以辨认为微弱的红光，达到850 nm左右。这些低波长设备用于半隐蔽应用中的闭路电视摄像机。对于隐蔽操作以及要避免光污染的应用，更高波长的设备是首选。但是，较少的相机对940 nm光源敏感，照明范围可能更短。

红外LED可用于覆盖几米到200米或更远的范围。一般而言，对于较长距离，需要具有窄光束角度的装置，从而产生长光锥。对于人员识别和访问控制应用，典型的范围为5到10米。红外LED的发射角度可以窄至5°，宽度可以达到150°。

近年来，红外LED已经变得更加强大，功率效率更高，范围更广工作在900 mW或更高的型号。这对于长距离照明至关重要，并为IP网络系统提供更好的图像质量。中档设备的功率为600 mW，而适用于遥控器等应用的标准低功率二极管的功率为250 mW。对于低功率器件，电压要求通常为1.2至1.7 V，对于高功率发射器，电压要求高达3 V.高强度应用越来越需要高达1A的直流电流。必须进一步考虑光源的辐射强度(以mW/sr测量)和物体的反射率，通常以μW/cm 测量。辐射强度表示立体角区段内的光输出，因此定义了光束的强度。

Osram应用笔记中提供了有关特定应用所需的光强度和功率输出数量的计算指南。

多个发射器可用于提供所需的光输出。新技术允许开发更小，更高功率的发射器，并且多芯片和堆叠发射器阵列在非常小的封装中实现高强度IR照明源。然而，热管理和功耗是必须仔细考虑的重要设计问题。

图1：相机系统的视场(FOV)。

在实践中，设计师还需要考虑典型的物体尺寸，与相机的距离以及所需的图像分辨率，光学相机系统的属性(传感器尺寸，物镜)及其视野(FOV)。见上面的图1。来自二极管的发光模式需要尽可能地匹配相机FOV。如果光束角太窄，则不是所有目标都可以被充分照射。如果太宽，相机可能无法检测到一些反射光，从而降低了图像质量。可能需要考虑辅助镜头以确保IR LED正确照亮相机所需的视野。 LEDiL等公司提供的产品范围广泛，适合各种制造商的设备。

实现所需的信噪比取决于相机中使用的CCD/CMOS芯片的光谱灵敏度和量子效率曲线和整合时间。

典型设备

虽然有许多制造商用于闭路电视摄像机应用的850和940纳米红色LED，包括Everlight和Vishay，但欧司朗提供了一个最广泛的范围，模型涵盖宽范围的功率输出，辐射强度和发射角度，以及多种封装选项。

Oslon Black SFH4715A 850 nm红外LED是欧司朗高功率，小型封装器件的典型代表，是CCTV应用的理想选择。功率输出为800 mW，光束角为90°，可用于照亮100米外的物体，具体取决于所用外部光学元件的类型。该范围内还有850 nm SFH4715S，正向电压为2.9 V，半角为45°。两者都具有320 mW/sr的辐射强度。

图2：欧司朗的Oslon Black SFH4725S采用黑色封装，专为真正的秘密监视操作而设计。

隐蔽应用中，940 nm器件更为合适。欧司朗提供Oslon Black SFH4725S系列，输出电流为1A时光输出为980 mW。正向电压为2.75 V. SFH 4725S在90°发射角下的辐射强度为450 mW/sr，在被监控区域提供卓越的照明。该器件采用Osram的Nanostack技术，在单个芯片中具有两个发射中心。这有效地减少了光输出所需的器件数量。此外，包含在黑色包装中，该设备完全隐藏在相机镜头后面。