红外线摄像头原理

红外摄像机概述

随着红外摄像机的大量普及，红外摄像机的发展趋势更加清晰，同时其产品所存在的弊病也越来越明显。作为从业近10年的安防人，本人目睹了红外摄像机的兴起，也比较了解目前红外摄像机的问题，本文将着重分析红外摄像机的兴起、应用及问题。

起源

最早的摄像机并不带红外灯，要想做到晚上监控，只能通过辅助光源。在当时也没有人想到用红外线来当辅助光源，用的都是发可见光的照明用光源，如白炽灯、囱素灯、白光LED等等。当用可见光源作为摄像机晚上工作的必备配件时，很少有人想到摄像机还能带上红外，即使有人在研究CMOS和CCD有光谱特性能接收红外线，也没有想到将之应用到摄像机领域。直至2001年全世界第一台红外摄像机诞生。

关于红外摄像机的起源，还有一段小故事。话说十几年前，国内一位年轻人在帮人做安防工程，当天晚上他在测试摄像机效果，而主人家正在看电视，当用遥控器在选台时，整个监控画面顿时会清晰一闪。这个现象令年轻人好奇不已并就此问题不断钻研，他将电视遥控器上的红外发射管集中在一起通电测试，便出现了红外摄像机最初的雏形。再经过多番改进，最终诞生了第一台红外摄像机。

其实，大多数的消费级数码相机都能够进行红外拍摄，但在通常情况下，数码相机对红外的感应会影响正常的彩色成像质量。因此，在每个数码相机前面均有一个可以遮挡红外线的滤镜，安防界将之称为滤光片，专业术语叫ICF。通过滤光片将红外线过滤掉，但是，大多数数码相机的红外滤镜都没有做到100%的过滤，因而可以说，每个人手中的数码相机都或多或少都具有接收红外线的能力，只是接收的幅度不同罢了。

原理

红外线是一种光波，它的波长区间从几个纳米（nm）到1毫米（mm）左右。人眼可见的只是其中一部分，我们称其为可见光，可见光的波长范围为380nm~780nm，可见光波长由长到短分为红、橙、黄、绿、青、兰、紫光，波长比红光长的称为红外光。红外光线的波长在780nm~1000μm之间，介于无线电波与可见光之间。 红外摄像机其实就是将摄像机、防护罩、红外灯、供电散热单元等综合成一体的摄像设备。目前监控工程中最常用的红外摄像机是主动红外，由LED发出红外线，利用CCD或CMOS可以感受红外光的光谱特性（即可以感受可见光，也可以感受红外光），配合红外灯作为“照明源”来夜视成像。市场上以发射波长850nm和940nm的红外LED为主。早期的红外夜视系统不是用在民用的，主要应用于军事方面，但由于主动红外夜视系统发射红外线，易于被敌军发现，因而在军事上已基本被淘汰。军事领域主要用红外热成像仪（即被动红外摄像机），其摄像系统能感应绝对零度（-273℃）以上的物体发出的红外线辐射，物体的温度越高，辐射出的红外线越多并且容易成像。由于目标市场和制造成本问题，目前很少有生产民用摄像机的安防厂家生产被动红外摄像机。

红外线探测到摄像头的原理

红外线探测到摄像头的原理，可以从红外线传感器的工作原理和摄像头的红外透射特性两方面进行阐述。

一、红外线传感器的工作原理

红外线传感器是一种感应红外线辐射的设备，能够将红外线信号转化为电信号。它的工作原理主要基于物体发射红外线、红外线透过物体以及红外线传感器的特性。

首先，物体在一定温度下会发射红外线辐射。红外辐射的能量强度与物体的温度有关，一般来说，温度越高，红外辐射的能量越强。

其次，红外线可以透过一些物体，如塑料、玻璃等，在透射时会发生一定程度的衰减。不同材质的物体对红外线的透过程度也不同，部分物体能够完全阻隔红外线的透射。

最后，红外线传感器对红外线具有高度的敏感性，当红外线辐射通过物体达到传感器时，传感器会产生一个电信号。这个信号经过放大和处理后，可以转化为可读的电压或电流信号。

二、摄像头的红外透射特性

摄像头作为一个光学设备，传感和记录可见光的图像。然而，传统的摄像头对红外光的透过性较差，红外光的穿透能力非常有限。

红外线的波长范围是可见光和无线电波之间的范围，一般从700纳米到1毫米。而摄像头通常设计用于感应和记录可见光范围内的图像，其镜头是由玻璃、塑料等透明物质组成的，这些物质对红外线的透过性较差。

对于普通的摄像头来说，当红外线照射其镜头时，大部分红外线会被镜头吸收或散射，很少透过镜头进入摄像头内部，因此摄像头不能直接感应到红外线。

然而，一些特殊的摄像头可以感应到红外线。这些摄像头的镜头采用了特殊的材质，具备较好的红外透过性能。此外，为了增强摄像头感应红外线的能力，可以在摄像头镜头上添加红外滤光片，用于阻挡可见光，使红外光透过滤光片进入摄像头。

三、红外线探测到摄像头的应用

红外线探测到摄像头主要用于红外监控系统中，这种系统可以实现对红外线辐射物体的监测与识别。

在红外监控系统中，红外传感器可以感应到物体发出的红外辐射信号，并将其转化为电信号。这个电信号经过信号放大和处理后，通过数据线或无线信号传输给摄像头。

红外摄像机在监控系统中的应用

随着监控系统的日渐普及，摄像机被广泛应用在各个领域，为社会治安保驾护航。每个不同的应用领域，需要有不同类型的摄像机，比如有道路监控摄像机、红外防水摄像机、超低照度星光级摄像机、夜视一体化系列、烟感型摄像机、针孔型摄像机、飞碟型摄像机系列、枪式摄像机、一体化摄像机、半球摄像机、高速球摄像机和防暴摄像机等多种类别。

随着监控系统应用的不断拓展，新的问题也出现了：如果摄像机处于无光或光线极为微弱的环境中，比如“平安城市”监控工程，有些监控点处于无路灯或光照非常差的情况，该怎样处理呢？很显然，采用传统高清低照度摄像机已较难满足应用需求了，在这种情况，采用红外摄像机就能较好地满足监控的需求。

红外线原理概述

在自然界中，任何物体只要它的温度高于绝对零度(-273℃)，就存在分子和原子无规则的运动，其就会不断地辐射红外线。

红外线辐射又遵循黑体定律。黑体简单地说就是在任何情况下对一切波长的光的入射辐射、其吸收率都等于1的物体，也就是说全吸收。显然，自然界中实际存在的任何物体对不同波长的光的入射辐射都有一定的反射(吸收率不等于1)，黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型，但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础。

红外摄像技术分为被动红外摄像技术和主动红外摄像技术。

被动红外摄像技术是利用任何物质在绝对零度(-273℃)以上都发射红外光的原理，人体和热机发出的红外光较强，其它物体发出的红外光相对微弱，利用特殊的热红外夜视仪可以实现夜间监控。但这种特殊的热红外夜视仪造价昂贵，而且不能直观、清晰地反映周围环境状况，因此在通常的夜视系统中较少被采用。

主动红外摄像技术，即利用红外灯来产生红外辐射，发出人眼看不见的红外光去照射景物和环境，即可使用普通低照度CCD黑白摄像机或“白天彩色夜间自动转黑白”的摄像机或“红外低照度彩色摄像机”去感受周围景物反射回来的红外光，从而实现夜视功能。（如图1）

红外接收头工作原理

红外接收头一般是接收、放大、解调一体头，一般红外信号经接收头解调后，数据 “0”和“1”的区别通常体现在高低电平的时间长短或信号周期上，单片机解码时，通常将接收头输出脚连接到单片机的外部中断，结合定时器判断外部中断间隔的时间从而获取数据。重点是找到数据“0”与“1”间的波形差别。

3条腿的红外接收头一般是接收、放大、解调一体头，接收头输出的是解调后的数据信号（具体的信号格式，搜“红外 信号 格式”，一大把），单片机里面需要相应的读取程序。

红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。

先讲一讲什么是红外线。我们知道，人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。比紫光波长还短的光叫紫外线，比红光波长还长的光叫红外线。红外线遥控就是利用波长为0.76～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。

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红外遥控系统

常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通发光二极管相同，只是颜色不同。红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样：用万用表电阻挡量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可。红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定，而业余条件下只能用拉距法来粗略判定。

接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。