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安防视频监控中的人造光源


人造光源是人们为创造良好而稳定的观察条件而制成的,它包括各种灯具。常用的灯具有两种:一种是热辐射光源,即带有固体灯丝的钙丝白炽灯和在它基础上发展起来的卤雪灯;另一种是气体放电光源,即充有高压气体或低压气体的气灯或孤光灯。弧光灯还可以进一步分为高强度放电型、低压型和高压短弧型三种。高强度放电灯因其效率高、使用寿命长而得到了广泛的应用;低压弧光灯,包括荧光灯(如日光灯)和低压钠灯,在许多室内和室外照明场合也都常用;长弧光原灯主要用于大型的室外体育场:高压短弧光灯在视频监视工程中用在要求高效率、指向好的窄光束的场合,以照亮(100m到1km外)远处的目标,这类灯包括徹灯、金属卤灯、高压钠灯和水银灯等。

一、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,其辐射以光产形式进行,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。具体常见的热辐射光源有如下两种。
(1)钙丝白炽灯。钨丝白炽灯是第一种实用的人工光源,有真空钙丝灯、充气镑丝灯。真空钙丝灯是将玻璃灯泡抽成真空,铐丝被加热到2300~2800K时发出复色光,其发光效率低,约为10 lm/Wo充气钙丝灯是在灯泡中充入和钙不发生化学反应的氧、氮等惰性气体,当灯丝蒸发出来的钧原子与惰性气体原子相碰撞时,部分钧原子会返回灯丝表面而有效地抑第2章安防视频监控中的光源和光学系统制钧的蒸发,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17 lm/W。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,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系统的调整次数大为减少,也提高了系统的可靠性。
白炽灯的灯丝一般都通过盘圈来增加效率。有时会将盘成的圈再盘一次,以进一步增加灯丝的长度,提高照明度。灯丝的外形设计有时还要配合其使用场所的具体要求,如将细长的灯丝装到圆柱形反射体内,可以产生矩形的光束:较小的灯丝可以与抛物面形反射镜紧密配合,产生用于聚光灯中的狭窄的平行光束;而普通照明常用W形灯丝,使灯360°发光;
由于白炽灯的发光特性稳定、简单、可靠,使用和量值复现方便,因而应用非常广泛,几乎每个家庭、公司、工厂、学校、医院、火车站、机场等都要使用。由于是白炽光源,所发出的光线包括了可见光谱中的所有颜色,可以用来为黑白和彩色摄像机提供出色的照明。
(2)卤钨灯。它是在钨丝白炽灯基础上发展起来的一种改进的白炽灯,在灯泡内充有卤族元素(氯化碘、溴化硼等),钨丝被加热后,蒸发出来的钨原子在玻璃壳附近与卤素合成为卤钨化合物,如WI2、WBr等。然后,卤钨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钨,而钨原子又沉积到灯丝上,弥补钨原子的蒸发,以此循环而延长灯的寿命,使卤钨灯的工作温度达3000~3200K,发光效率提高到30 lm/W。因此,这种灯的特点是灯丝亮度高、发光效率高、形体小、成本低等。
卤钨灯工作时的气体压力和灯泡温度,远远高于普通白炽灯。因为高气压可以阻碍钨的蒸发,允许灯丝在较高的温度下工作,以产生比传统白炽灯更高的电光转换效率。为了承受更高的温度和压力,它的灯泡一般都使用石英或耐高温玻璃制造。这种灯早期都使用熔结石英灯泡和碘蒸气,因此被称为石英碘灯。后来发现其他卤素也具有相同效果后,为通用起见,现在一般均称这种灯为卤锣灯。如在卤锣灯前装上可见光截止器,也可做成红外热光源。

二、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。如将氢、氫、笊、気、氟或者金属蒸汽(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。
这种光源的种类很多,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,是白炽灯的2~10倍;④光色适应性强,可在很大范围内变化。如普通高压汞灯发光波长为400~500nm,低压汞灯则为紫外灯,钠灯呈黄色(589nm),釘灯近日色,而水银荧光灯为复色。
由于以上特点,气体放电光源经常被用于工程照明中,它主要有下列几种。
(1)高强度放电灯。即HID灯,是在普通照明和安防工程中应用最广泛的一种灯,是商业楼宇、道路、体育场等场所应用最广泛的灯具。但其缺点是它需要3~10分钟的“启动”时间,一旦关闭,必须等灯具充分冷却后才能重新点亮电孤。现在在灯泡里面用两个相同的HID灯芯,同时只有一个灯芯工作。这样,一个灯芯突然熄灭后,另一个灯芯可以立即启动发光。因此大大减少了等待时间,而且也可使前一个灯芯有足够的时间冷却。
高强度放电灯的优势是:使用寿命特别长,其标准使用寿命是16000~24000h:效率奇高,其电光转换效率为60~1401m/W。但这种灯不能与调光系统配用,否则将严重影响其启动光效率、光线颜色和使用寿命。目前最流行的有下列三种。
①高压汞灯:即高压水银灯,也称为石英汞灯。灯内的蒸气压很高,一般有2~10个大气压。汞的蒸气压升高后,汞的放电辐射成份就发生了变化,原来在低气压汞放电产生的紫外线254nm变得很少了,而长波紫外线和可见光的短波部分的比例却增加了。高压汞灯的光色偏蓝绿,照在人的脸上发青紫色,所以它只适合在黑白视频监控系统中使用。
②金属卤化物灯:简称金属卤灯或石英卤灯。其特点是:填充不同的金属卤化物,可以获得我们所需要的各种不同光色的灯,如铟的共振辐射(451nm)位于蓝色区域;锂的共振辐射(671nm)位于红色区域;铊的共振辐射(535nm)位于绿色区域等。因此,金属卤化物就好比画家手中的水彩,用它可以绘画出五颜十色的金属卤化物灯来。它的品种非常多,可形成好几个系列的产品,如照明用、摄影用、放映用和工业用等系列。这种灯兼有发光率高、显色性好的双重优点,如稀土金属卤化物灯的光效和显色指数均可超过85。根据灯内添加剂种类和灯壁荧光物质的不同,可以使灯泡发光的光谱,具有日光或白炽灯光的特征。它的光谱比水银灯的丰富得多,因此在黑白或彩色视频监控系统中都可以使用。
③高压钠灯:灯的陶瓷弧管是特殊材料制成的,因而可承受钠在高温卜的化学侵蚀。与低压钠灯相比,它的光转换效率更高、光谱更宽。因为它内部的气体中只含有钠,所以它的光谱频率大部分都分布在黄橙部分,只有少量的蓝色和绿色。对彩色视频监控系统来说,高压钠灯最主要和最重要的优点是它的光转换效率高(120-150lnVW)„其使用寿命也较长,约为2400Qh。对黑白监控系统来说,钠灯是可选择的最佳光源,是极好的室外照明光源。其主要特点有7条:发光效率很高;寿命长;显色性差、色温低:环境温度对灯工作影响不大;钠灯紫外线辐射很少;启动电压高、重复点燃困难;成本高。
(2)低压弧光灯。灯的外形一般呈管状,光弧较长(几厘米到几米)。这种灯在正常工作的时候,需要与镇流器配用,在启动时,则需要高压脉冲触发,它主要有如下两类。
①荧光灯:是依靠低压汞蒸气放电辐射出的短波紫外线,去激发荧光粉发光。这样,便把波长较短的紫外线转换成波长较长的可见光,这就是紫外线的光致发光。它的发光基本上是连续光谱,因而荧光灯的发光比汞灯的光色好。其优点有三条:发光效率比白炽灯高4~5倍;寿命比白炽灯长5~10倍;光色柔和,品种齐全,例如有发偏黄色光的暖白色(色温为2900K)灯,发偏青色光的冷白色(色温为4500K)灯,发白色的日光色(色温为6500K)灯(即日光灯)。有些荧光灯还可以像白炽灯一样发出连续的光谱;而其他的荧光灯则发出日光光谱。这种灯非常适用于彩色和黑白监控系统。荧光灯的输出功率为4~200W,形状可以做成直形、圆形或U形等。尺寸较大的灯管需要与对应的反射器配用,才能产生需要的光束形状。荧光灯的光线可以分散得比较均匀,因此一般都用于大面积区域的照明。荧光灯对环第2章安防视频监控中的光源和光学系统境温度的变化相当敏感,所以主要在室内和温度变化不大的室外环境中使用。在寒冷的室外,必须使用特别的低温镇流器,才能产生足够高的启动脉冲,去将灯管点亮。
②低压钠灯:其发光效率是白炽灯的10多倍,是荧光高压汞灯的4倍,是金属卤化物灯的2倍,低压钠灯是一个很好的节能的电光源产品。钠的共振辐射线有589nm和590nm两条,这两条共振线的位置全在黄色区域,因此其光色是纯黄色,只能用于道路照明系统或黑白监控系统中。在与彩色摄像机配用时,只有黄色的物体可以呈原色,其他颜色的物体则只能呈现褐色或黑色。其优点有三条:使用起来非常安全;能够使得物理表面的纹理和形状比较容易地显示出来,让人的眼睛和摄像机都可以看到;能产生较好的对比度,使图像更显清晰。有些保安人员和警察认为低压钠灯是唯一优秀的保安照明系统。在下班时段内,琥珀色的灯光,可以清楚地告诉人们“闲人免进”,以及“这块地方戒备森严”。
(3)紧凑型短弧灯。这种灯与电极的尺寸、间距和灯泡的尺寸相比,其弧光相对较短,工作电流较大,但电压较低。这种灯的功率通常在50W~25kW,工作电压一般小于100V,但启动时则需要几千伏的高压脉冲。这种灯既可以使用交流电,也可以使用直流电,但就是需要某种形式的电流调整设备(镇流器),才能保证光线输出的均匀度。紧凑型灯与高强度放电灯相比,其有效使用寿命要短一些,这是因为它使用的电流强度较高,导致电极的寿命相对缩短。最常见的紧凑型短弧灯有下列三种。
①汞弧灯:也称为水银灯,它也是利用汞蒸气放电发光而制成的一种灯。灯的光谱输出基本上都落在可见光中的蓝色范围内,而CCD摄像机对蓝色光又不太敏感,所以它和黑白摄像机一起使用时取得的效果较为一般。
②汞氙灯:其光谱基本集中在蓝色、绿色、黄色和橙色等部分。汞氙短弧灯的光转换效率为20-53lm/W,其额定功率为200~7000W。它可实现较好的色彩还原,其光线中除汞和氙的光谱输出外,还含有连续的背景能谱,因此可以提高色彩还原的质量。
③短弧氙灯:这种灯的两个电极在3~8mm的近距离,因而电孤很短,所以称为短弧氙灯。高气压氙气放电的辐射光谱是连续的,它同太阳的光谱极为相似。而氙灯的光弧的色温大约在6000K,几乎与日光的色温相等,且显色指数为95,因此,用眼睛看氙灯的色表与日光呈一样的白色,所以人们称氙灯为“人造小太阳”。由于氙灯的光谱输出中含有特定的颜色、连续能谱和一些红外射线,因而它发出的光与日光还是有很大的不同。但其连续能谱中的大部分波长还是与日光的光谱射线特征非常相似,与其他短弧灯相比,在色彩还原的精确度方面,氙灯也是最理想的选择。其优点有5条:
•显色性好、光色稳定;
•可产生尺寸很小的高亮度光斑;
•启动时间短,可随开随关而使用方便;
•灯的功率变化范围大;
•具有正阻的伏安特性。
这种灯的发光体很小,只要配以合适的反射器,就可以轻易产生非常集中的光束,抛物面型反射器通常用在探照灯或聚光灯中;球面反射器则用来构建泛光灯;紧凑型短弧灯通常与抛物面型反射器配用,以产生能为远距离目标提供照明的平行光束。在这种系统上加装红外光滤镜后,就可以构成相当优质的红外聚光灯。即使不想构建聚光灯,紧凑型短弧灯的小尺寸光弧也使得它只需要较小的反射器就能很好地工作。

三、节能环保的白光LED灯

随着光电技术及材料科学的发展,1998年基于蓝光LED芯片的白光LED被成功开发出来,这一创新是LED照明的巨大转折。目前,商品化的白光LED器件已达到白炽灯(发光效率16 1m/W)的水平,其发光效率已接近荧光灯(20W的灯管为60 1m/W,40W的灯管为100 lm/W)的水平,并且在稳步增长之中。根据应用对象的不同,允许LED多颗组合。由于LED的低电压、低电流,因而白光LED发热量低,耗电量小;又因为LED可以回收,不会变成环境污染的废弃物,所以白光LED是环保产品。由于这种固体光源具有耐震动、抗冲击、长寿命和无污染等独特的优点,因此公认它是21世纪的新一代光源,即第三代电光源。白光LED必将替代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源,而用于照明和视频监控系统之中。目前,我国每年用于照明的电力接近2500亿千瓦时,如采用半导体照明,每年可节省2200多亿千瓦时,而这数字约是三峡电站目前的年发电量的3倍。
(1)白光LED的结构与原理。众所周知,白光是多种颜色的光混合而成的,以人类眼睛所能见的白光形式,至少需要两种以上的光混合,因此一般有下列两种混合方式。
①单晶型:二波长光,即蓝色光与黄色光混合,蓝色LED芯片里涂敷高效黄色荧光粉,蓝光及被蓝光激发的荧光粉发射的黄光相混互衬后得到不同色温的白光。
蓝光LED芯片涂敷黄色荧光粉的方法如图1所示,其中CaN芯片发蓝光(峰值波长λP=465nm,半强度宽度∆λ=30nm),YAG荧光粉首次被蓝光激发后发出黄色光,其峰值波长570nm;LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,从而得到白光。

图1 白光LED结构示意图
②多晶型:三波长光,即红色光、绿色光与蓝色光混合,即直接将红、绿、蓝三种颜色的LED芯片组成一组,实现白光。这种方式的显色指数高,符合一般的照明要求。目前已商品化的三波长光产品,大多以无机紫外光晶片加R、G、B三颜色荧光粉,此外,用有机单层三波长型白光LED也有成本低、制作容易的优点。总之,三色合成白光综合性能最好,目前世界各生产厂家大都在走此途径。
(2)白光LED的特点及与现行照明光源的比较。
①白光LED的特点。与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比, 它具有如下7条突出的特点:
•全固体、结构简单、体积小;
•省电,其电能消耗仅为白炽灯的1/10、荧光灯的1/2,如采用白光LED照明,全国每年可节电2200多亿千瓦时;
•寿命长,一般可达10万小时,是荧光灯的10倍,白炽灯的100倍;
•响应快,加电即亮,反应速度快,可在高频操作;
•真正的绿色环保光源,耐震、耐冲击、不易破碎、无毒、且废弃物可回收,光谱中没有紫外线和红外线,因而不发热也无辐射,是真正的绿色环保光源;
•理论光效率高;
•可平面封装,易开发成轻薄短小的产品。
②白光LED与现行照明光源的比较。白光LED灯基本上没有白炽灯泡、荧光灯的缺点,与白炽钨丝灯及荧光灯的比较,如表1所示。

表1 白光LED与现行照明设备的比较
照明方式 优点 缺点
白炽钨丝灯 价格极低 低效率、高耗电、寿命短、易碎
荧光灯 价格低 省电、易碎、废弃物有汞污染
白光LED 发热量低、耗电量少、寿命长、反应速度快、体枳小、可平面封装、易制成轻薄短小产品,环保 价格高
 

目前,若以每年白光LED发光效率平均成长60%的速度开发下去(现以达到50 lm/W),要达到大型化、低价化、使用寿命长的照明用光源是不成问题的。
与直流LED灯相比,AC LED灯具有更节能省电、更长寿、更有能效的高性价比,因为AC LED发光省去了AC-DC转换器和恒流源。而这种交直流转换器是一种随着时间会老化、坏掉的电子元器件,其寿命比LED光源本身更短,因此实用中均是交直流转换器先坏掉。但AC LED现阶段有两个缺点:一是AC LED刚刚起步,目前光源效率还没有DCLED高;二是AC LED有触电的风险,故AC LED在照明灯具上,应避免金属片的裸露,而应是间接地把热带走,这也就是发展新的充液LED照明灯具的设计核心。
现在,AC LED白光灯已在市场上获得较大应用,如我们新装的房屋,已全部使用AC LED白光灯。还有一种平面分布式的白光OLED灯,因市场上还未使用,这里就不介绍了。