安防攝像機紅外線（補光）技術的發展

光的概念 光擁有不同的頻率，而不同頻率的光會有著不同的顏色。

人的眼睛能看見物體，是因為物體能發光或者反射光（人眼能感知的光）。但是自然界中的光，人的眼睛能感知（看見）的只是一部分。通過研究我們發現，人眼能完全看見波長在780～400nm之間光線，同時波長在880～780nm之間的光線人眼也能略微感知。可見光（人眼睛能看見的光）範圍內依次為赤橙黃綠藍靛紫。白光為所有這些光譜的綜合。

類似於人的眼睛，攝像機裡的圖像感測器（sensor）也能感知特定波長的光線。CCD或者CMOS的感光元件一般是由矽構成，下圖是矽的光譜回應曲線：

從矽的光譜圖中我們可以看見，除了能感知780-400nm的可見光，矽對700-1000nm的光線是最敏感的。800-1000nm的這個區間是紅外光線。因為這一物理特性，CCD/CMOS攝像機都能比較好的感知紅外線，而人的眼睛對紅外光不敏感，在缺少可見光的環境裡（比如晚上），安防攝像機多使用紅外補光，不會對人眼造成光污染，同時也起到比較隱蔽的效果。

紅外光線

紅外線（Infrared，IR）是波長介乎微波與可見光之間的電磁波，其波長在760nm至1000nm之間。
根據不同探測需要，我們可以把紅外光線細分為：

• 近紅外線（NIR）：波長範圍為700至1000 nm（從人眼無法偵測的範圍到矽可響應的範圍）；
• 短波紅外線（SWIR）：波長範圍為1000至3000 nm（從矽的截止頻率到大氣紅外線視窗的截止頻率）；
• 中波紅外線（NWIR）：波長範圍為3000至5000 nm；
• 長波紅外線（LWIR）：波長範圍為8000至12000或是7000至14000 nm；
• 遠紅外線（FIR）：波長範圍為12000至30000 nm。

近紅外線（NIR）剛好在人眼可見區段旁邊，中長波紅外線（MWIR，LWIR）和遠紅外線（FIR）則較人眼可見區段較遠。

補光燈

紅外

早期安防攝像機發展中，SONY，三星，松下，夏普等日韓品牌主要專注於攝像機的WDR，低照等性能，對紅外技術研究和發展不多.早期，SONY，松下等都沒有紅外安防攝像機。其中的原因在後面紅外燈的問題一節會具體闡釋。臺灣及中國大陸安防攝像機廠家看見了紅外技術在安防攝像機中應用的發展前景，相繼推出了紅外攝像機，IR-CUT技術等，產生了很好的市場效果。

前面說到，安防攝像機一般使用近紅外在可見光線不足時進行補光。這是因為CCD/CMOS的感光元件由矽構成，而矽對近紅外非常敏感，同時人眼對近紅外不敏感，可避免光污染，夜視時也能更隱蔽。安防攝像機一般使用850nm和940nm的紅外補光，850nm使用的更多一些。
前面提到，人眼對880～780nm的光線也略微能感知，所以人眼能稍微看見850nm的紅外光線（人眼可見為紅色的亮點），而940nm的紅外就完全看不見了，因此940nm紅外攝像機的隱蔽性更好。但可惜的是CCD/CMOS圖像感測器對940nm光線的敏感度比850nm的差很多，為了更好的夜視效果，現在紅外攝像機大多選用850nm的紅外燈。
下圖展示了CCD/CMOS圖像感測器如何回應不同光線。

IR-CUT技術

理論上，溫度高於絕對零度的物體都能發光，各種光線，包括可見光和近紅外光等。白天自然界中也有很多近紅外光，雖然肉眼不可見，但是對於安防攝像機來說，卻很容易捕捉和回應這些近紅外光線。這樣就產生了一個問題，攝像機拍攝的彩色視頻圖像因為紅外光干擾，圖像色彩會不真實，偏色（與肉眼可見的色彩有偏差，一般偏紫色），需要想辦法過濾掉這些多餘的紅外光。而晚上，為了提高攝像機在黑暗環境裡的靈敏度，需要盡可能的吸收各種光線，包括近紅外。
為了滿足這種需求，雙濾光片切換技術產生了。雙濾光片切換技術，即IR-CUT技術，IR-CUT的核心是兩塊濾光片+動力切換裝置。兩塊濾光片分別是一片紅外截止或吸收濾光片和一片全透光譜濾光片。IR-CUT安裝於攝像機鏡頭與sensor之間。白天預設狀態是紅外截止濾光片工作，多餘的近紅外經過鏡頭到達IR-CUT，被紅外截止濾光片截留，不能到達sensor表面，從而保證攝像機拍攝的視頻圖像顏色真實。晚上，通過光線感應啟動IR-CUT上的動力裝置，對濾光片進行自動切換，紅外截止濾光片移開，全透光譜濾光片工作，從而保證所有的光線（包括近紅外）能到到sensor，使其能充分利用到所有光線，從而大大提高了攝像機低照性能。（有的情況下，為了保證夜視黑白圖像通透以及更好的效果，可能使用能過濾可見光的濾光片）。

濾光片
濾光片是塑膠或玻璃片再加入特種染料做成的，紅色濾光片只能讓紅光通過，依此類推。玻璃片的透射率原本與空氣差不多，所有有色光都可以通過，所以是透明的，但是染了顏色後，分子結構變化，折射率也發生變化，對某些色光的通過就有變化了。

圖像感測器NIR技術

雖然矽能敏感的回應近紅外，為了更好的紅外夜視效果，CMOS廠家通過技術不斷提升圖像感測器的近紅外成像效果和靈敏度。NIR技術是圖像感測器廠家重點關注的地方和核心技術。

紅外燈發展

紅外技術分為被動紅外熱成像感應和主動發紅外光兩種。安防攝像機一般使用主動紅外技術。

整體上看安防攝像機用紅外補光燈技術發展歷經了3代。
第一代，傳統的LED燈，直插式。採用單個發光二極體，使用環氧樹脂材料封裝，晶片尺寸一般在12mil-16mil之間。封裝後的尺寸一般為φ5或者φ8。通過晶片裡的反光碗和封裝的環氧樹脂頂部的透鏡來實現聚光，透鏡可以做成不同角度，和攝像機鏡頭的角度匹配，以達到最好的效果。
主要特點：

1. 單顆功率較小。晶片尺寸在12-16mil，單顆燈電流很小，功率很低。為了取得好的效果，一般增加顆數。常見的顆數一般24-56顆，可照射距離從10幾米到40米左右。如果要照射更遠，使用這種LED燈很難做到。
2. 光衰減快。環氧樹脂材質的透鏡遇熱以後容易斷裂，紅外光線通過斷裂面容易被折射回去。隨著時間推移，斷裂面越來越多，紅外光被折射回去的越來越多，能穿透出來的很少。這就是傳統LED燈衰減快，壽命短的主要原因。
3. 散熱不好。傳統LED燈通過兩個插腳通電，發光，同時發熱，熱電不分離。周圍溫度較高，縮減電子元器件的壽命。但是單個LED燈壞了，不影響其他LED燈繼續工作。

第二代紅外燈，稱為陣列式紅外燈（LED Array）。
陣列紅外燈是為了解決傳統LED紅外燈的缺點而產生的。將多顆小功率的LED集成在一個小範圍內，提供單顆燈的功率。同時採用不易斷裂的矽膠封裝材料從而減少光衰減，延長燈的壽命。另外採用熱電分離處理，將晶片排列在銅基板上，銅基板與攝像機外殼連結導熱，從而解決了散熱問題。

然後這種陣列紅外燈一經上市，即被淘汰，沒有獲得市場認可，主要原因是：

1. 亮度不夠。把多顆LED燈集合在一起，晶片整體尺寸過大，沒有一個集中的發光點。光透過透鏡，只有少數光線能準確折射到理想方向，大部分被反射或者折射到其他地方。以致於同等功率下，陣列式紅外燈的亮度比傳統LED紅外燈還差。
2. 集成燈芯數量多，導致成本很高。

綜合第一，二代紅外燈的優缺點，第三代紅外燈–點陣式紅外燈誕生了，點陣式紅外燈一般又稱為IR-III。其主要特點是：

1. 使用單顆大功率LED晶片，目前最常見的是42mil。第三代點陣紅外燈功率比第一代LED燈大很多，需要注意選用合適電流的攝像機供電電源。如採用POE供電，需要關注夜視紅外燈完全開啟以後，攝像機是否能穩定工作，POE供電，網路傳輸是否正常。有時供電電源無法保證，或者POE供電要求達不到，寧願選用使用第一代普通LED紅外燈的攝像機。
2. 採用第二代陣列式紅外燈電熱分離技術和封裝技術。工作穩定，壽命長，衰減緩慢。
3. 採用二次聚光技術，是光源的有效利用率能達到95%。先有燈芯的反光碗和封裝矽膠的透鏡形成一次聚光，然後由燈杯的反光碗和透鏡形成二次聚光。
4. 採用單顆晶片，成本可控。

第三代點陣紅外燈晶片尺寸除了常見的42mil以外，還有5050（20mil），2835（14mil，20mil），3030，微型點陣φ5（10mil）等多個系列。

三代紅外燈技術比較

項目	傳統LED	陣列式	點陣式
體積	大	小	小
成本	一般	相同亮度下，貴很多	與傳統LED相當
散熱	散熱不好處理	散熱容易處理	散熱容易處理
壽命	一般	傳統LED的5-10倍	傳統LED的5-10倍
品質	一般	好	好
電光轉換效率	10%左右	20%	20%
亮度	好	不如傳統LED	比傳統LED好

紅外燈的問題

安防攝像機用紅外補光燈發展歷經了多代。雖然不斷更迭出新，但是因為紅外補光技術本身固有的缺陷，舊的技術產品始終能保留，沒被徹底淘汰。

1. 使用紅外燈的攝像機，功率大，發熱大，在特殊行業和場景中使用有潛在危險。比如石油，化工，煤礦等廠區，作業場所使用，有潛在危險，安全隱患。
2. 使用紅外燈，攝像機夜視成像時一些場景或監控物件容易引起紅外過曝，看不清細節，比如人臉。（當然針對這一問題，現有攝像機方案廠家都已有針對性的優化，效果很好）。
3. 紅外夜視照車牌，車牌會反光，完全看不清楚。所以照車牌攝像機一般使用白光燈補光或者不使用補光燈，選用低照能力比較好的sensor方案。智慧交通領域一般使用頻閃燈或者白光燈。
4. 紅外燈始終會有衰減，使用時間長久之後，夜視效果會大打折扣。
5. 紅外燈功率比較大，POE供電或者集中供電時難於滿足要求，只能選用不帶紅外燈的攝像機或者使用功率較小的第一代普通LED燈的攝像機。
6. 紅外燈補光以後，視頻圖像是黑白的。相比於彩色圖像，細節缺失了，不利於查找線索，例如公安查案。因此，平安城市，社會治安裡的安防攝像頭一般不選用紅外的，而多用低照，星光級攝像機。

白光（暖光）

除了紅外補光以外，攝像機還可以使用白光，暖光燈補光，使用方法功能等與紅外燈基本一樣，區別在於使用白光（暖光）補光，攝像機還能呈現彩色圖像，因為白光（暖光）本質上是可見光，其隱蔽性沒有紅外光好。而白光和暖光的區別僅在於光源的色度，亮度不一樣。
前面提到，智慧交通行業攝像機，一般使用白光的頻閃燈或者常亮燈補光。
最近有紅外/白光（暖光）二合一的雙光源的補光燈，使用這種雙光源燈，一般夜視場景下，紅外燈工作，隱蔽性很好，監控視頻圖是像黑白的；當有人進入監控區域，會觸發攝像機的人形偵測功能報警，從而關閉紅外燈，啟動白光（暖光燈），視頻圖像變成彩色的。這樣解決了前面提到的夜視黑白圖像丟失掉人的細節這一痛點，同時白光燈還能啟到警示的作用。
上面提到的攝像機可以偵測到人形以後觸發報警，有些廠家給攝像機接入報警警燈或者喇叭。當有人進入監控區域時，能觸發警燈報警或者喇叭語音警示，當然這一功能就不是補光燈的範疇了，屬於攝像機的智慧分析，報警功能了。

光敏電阻（攝像機自動感應，軟光敏模式）

補光燈開啟的方式，整體上看有兩種。一種是通過光敏電阻，另一種是通過攝像機控制。

光敏電阻是用硫化鎘或硒化鎘等半導體材料製成的特殊電阻器，其工作原理是基於內光電效應。光敏電阻對光線十分敏感，其在無光照時，呈高阻狀態，光照強烈時，電阻迅速變小，或者反之。
光敏電阻器對光的敏感性與人眼對可見光的回應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。光敏電阻的這一特性可以用來控制攝像機紅外燈的開關。白天有可見光，光敏電阻感應到光線，燈板控制電路將紅外燈，同時驅動IR-CUT和攝像機切換到白天彩色模式；晚上無光或者光線變暗，沒有光線照射到光敏電阻上，燈板電路控制紅外燈開啟，同時驅動IR-CUT及攝像機切換到夜晚黑白模式。所以攝像機安裝好以後，燈板上的光敏電阻不要被遮擋，以免影響燈板正常工作。

光敏電阻對光線的感應能力是固定的，不可變。這樣會導致同一型號的攝像機在不同安裝環境裡，紅外燈開關可能難於滿足我們特殊的需要。例如，光敏電阻過於敏感，可見光線還很亮，攝像機紅外燈板已經開始工作，視頻圖像已經彩轉黑了；或者環境已經很黑了，但是紅外燈板還沒開啟，導致監控畫面漆黑一片，看不清楚。
為了解決上述問題，通過攝像機鏡頭來感應光線，從而控制紅外燈開關的方法誕生了。其核心是，攝像機鏡頭捕捉到光線的強弱，通過攝像機內部自動曝光和自動白平衡演算法，控制電路，產生高低電平信號，輸出到紅外燈板上，從而控制紅外燈的開啟。因為不需要傳統的光敏電阻，這一方法也被稱為軟光敏模式。
相較于傳統光敏電阻的控制模式，軟光敏的優勢是顯而易見的：我們可以根據需要動態調整攝像機感光的靈敏度，從而影響紅外燈板的開啟和關閉，以滿足不同場景的需要。另一方面，攝像機感應的光線是動態變化的，從而能輸出動態變化的控制信號，使燈板的亮度隨之也能動態調整。