红外灯的原理及其特性

红外灯的原理及其特性光是一种电磁波，它的波长区间从几个纳米（ 1nm=10-9m ）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380nm780nm，可见光波 长由长到短分为红、橙、黄、绿、青、兰、紫光，其中波长比红光长的称为红外光。普通 ccd 黑白摄像机可以感受光的光谱特性，它不仅能感受可见光，而且可以感受红外光。 这就是利用普通 ccd 黑白摄像机，配合红外灯可以比较经济地实现夜视的基本原理。而普通彩 色摄像机的光谱特性不能感受红外光，因此不能用于夜视。红外灯按其红外光辐射机理分为半导体固体发光（红外发射二级管）红外灯和热辐射红外灯 两种。其原理及特性我们介绍如下：1. 红外发射二极管（ led ）红外灯的原理及特性由红外发光二级管矩阵组成发光体。红外发射二级管由红外辐射效率高的材料（常用砷化镓） 制成 pn 结，外加正向偏压向 pn 结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长 830 950nm ，半峰带宽约 40nm 左右，它是窄带分布，为普通 ccd 黑白摄像机可感受的范围。其最 大的优点是可以完全无红暴，（采用 940 950nm 波长红外管）或仅有微弱红暴（红暴为有 可见红光）和寿命长。红外发光二极管的发射功率用辐照度“ w/m2表示。一般来说，其红外辐射功率与正向工 作电流成正比，但在接近正向电流的最大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射 功率下降。红外二极管电流过小，将影响其辐射功率的发挥，但工作电流过大将影响其寿命，甚 至使红外二极管烧毁。当电压越过正向阈值电压（约 0.8v 左右）电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其 工作电流对工作电压十分敏感。因此要求工作电压准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可 靠性。辐射功率随环境温度的升高 （ 包括其本身的发热所产生的环境温度升高 ） 会使其辐射功 率下降。红外灯特别是远距离红外灯，热耗是设计和选择时应注意的问题。红外二极管的最大辐射强度一般在光轴的正前方，并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。 辐射强度为最大值的 50% 的角度称为半强度辐射角。不同封装工艺型号的红外发光二极管的辐 射角度有所不同。图 1 ccd 黑白摄像机的光谱特性光是一种电磁波，它的波长区间从几个纳米（lnm=10-9m）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，波长比紫光短的称为紫外光，波长比红外光长的称 为红外光。普通ccd黑白摄像机可以感受光的光谱特性如图1所示，由图可见，它不仅能感受可见光， 而且可以感受红外光。这就是利用普通ccd黑白摄像机，配合红外灯可以比较经济地实现夜视的 基本原理。而普通彩色摄像机的光谱特性如图 2 所示，它不能感受红外光，因此不能用于夜视。图2 普通彩色摄像机的光谱特性红外灯按其红外光辐射机理分为半导体固体发光（红外发射二极管）红外灯和热辐射红外灯 两种。其原理及特性我们介绍如下：1红外发射二极管（led）红外灯的原理及特性由红外发光二极管矩阵组成发光体。红外发射二极管由红外辐射效率高的材料（常用砷化镓 gaas）制成pn结，外加正向偏压向pn结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长830 - 950nm，半峰带宽约40nm左右，如图3所示。它是窄带分布，为普通ccd黑白摄像机可感受的 范围。其最大的优点是可以完全无红暴，（采用940950nm波长红外管）或仅有微弱红暴（红 暴为有可见红光）和寿命长。图3 红外发光二极管的光谱分布图红外发光二极管的发射功率用辐照度“w/m2表示。如图4表示其红外辐射功率与正向工作 电流的关系曲线，该曲线表明，一般来说，其红外辐射功率与正向工作电流成正比，但在接近正 向电流的最大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射功率下降。红外二极管电流 过小，将影响其辐射功率的发挥，但工作电流过大将影响其寿命，甚至使红外二极管烧毁图4 红外发光二极管红外辐射功率图 5 红外发光二极管的伏安特性图 5 所示红外发光二极管的伏安特性与普通硅二极管极为相似。当电压越过正向阈值电压 （约 0.8v 左右）电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其工作电流对工作电压十分敏感 因此要求工作电压准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性图 6 红外发光二极管的辐照功率 与环境温度的关系图 6 所示为其辐射功率与周围环境温度的关系曲线，由图所示其辐射功率随环境温度的升高 （包括其本身的发热所产生的环境温度升高）会使其辐射功率下降。红外灯特别是远距离红外灯， 热耗是设计和选择时应注意的问题图 7 红外发光二极管的辐射角度红外二极管的辐射角或辐射强度分布如图 7 所示。最大辐射强度一般在光轴的正前方，并随 辐射方向与光轴夹角的增加而减小。辐射强度为最大值的 50%的角度称为半强度辐射角。不同 封装工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同2. 热辐射红外灯的基本原理及其特性 热辐射现象是极为普通的,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。当加热 500 度左右时，才会产生暗红色的可见光，随着温度的上升，光变得更亮更白。 在热辐射光源中通过加热灯丝来维持它的温度，供辐射继续不断的进行。维持一定的温度而从外 部提供的能量与因辐射而减少的能量达到平衡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，如图8 所示图8久m与温度的关系图9 红外灯泡的光谱功率分布图根据以上原理，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%.国外生 产的这种红外灯泡的技术性能为：功率100 - 375w；电源电压230 - 250v;使用寿命5000小时、 辐射角度60 - 80度。由图9可见其光谱功率分布，光谱范围是很宽的.普通黑白摄像机感受的光 谱频率范围也是很宽的，且红外灯泡一般可制成比较大的功率和大的辐照角度,因此可用于远距 离红外灯，这是它最大的优点.其最大不足之处是包含可见光成份，即有红暴，且使用寿命短， 如果每天工作10小时,5000小时只能使用一年多,考虑散热不够，寿命还要短。而对于客户来讲， 更换灯泡是麻烦和不愉快的事情.图 10 红外高通滤波玻璃的特性在克服热辐射红外灯缺点方面进行了许多努力，首先是研制和应用了高通红外滤波钢化玻 璃，其型号及性能如图 10所示。波长愈长，红暴愈小，甚至可达到全无红暴，但是，红外光的 效率愈低，红外灯发热就愈高。红外玻璃的波长可根据用户对红暴要求高低加以选择，一般而言， 相同有效辐照距离时，对红暴要求愈高，造价愈高。红外玻璃经过钢化，可以耐受急冷急热的变 化，在内部红外灯泡由于可见光滤除的部分，转化产生热量，温度会很高，外部冷风及雨雪的突 袭下，急冷而不致损坏。为提高热辐射红外灯的寿命，采用了光控开关电路，以减小其工作时间； 采用了变压稳压整流电路，使其发光功率得以充分发挥而且提高了红外灯的寿命；而更重要的是 考虑灯丝冷阻是非常小的，如100w红外灯泡，灯丝热阻为5293，这时的工作电流只有0.4348a, 而冷阻只有363，红外灯接通电源瞬间为6.39a瞬时功达到1470w,这一瞬间灯丝负荷过载达几 十倍，这对灯丝寿命有非常大的影响。人们研制的灯丝保护电路，相信红外灯灯泡的工作寿命会 成倍增长。此外，还增加了延时开关电路以防环境的光干扰.