使用紅外線的 CCTV（什麼是 ICR）

Infrared Lights for CCTV (what is ICR)

光的概念

光是一種不同頻率的電磁波，不同頻率的光會有不同的顏色。

人眼之所以能看到物體，是因為它們可以發光或反射光（人眼能感知的光）。但是自然界中的光只是人眼可以感知（看到）的一部分。透過研究，我們發現人眼可以完全看到波長在 780-400nm 之間的光，而波長在 880-780nm 之間的光也可以被人眼輕微感知。可見光（人眼能看到的光）有紅、橙、黃、綠、藍、靛紫。白光是所有這些光譜的合成。

與人眼類似，相機中的圖像感測器也可以感知特定波長的光。CCD 或 CMOS 的感光元件一般由矽構成。下圖為矽的光譜響應曲線：

從矽的光譜可以看出，除了感應 780-400nm 的可見光外，矽對 700-1000nm 的光最敏感。800-1000nm 的範圍是紅外光。由於這種物理特性，CCD/CMOS 攝影機可以更好地感知紅外光，而人眼對紅外光不敏感。在缺乏可見光的環境中（如夜晚），安控攝影機常使用紅外線補光，不會對人眼造成光污染，也起到比較隱蔽的作用。

紅外線

紅外線（IR）是一種波長介於微波和可見光之間的電磁波，其波長介於 760nm 和 1000nm 之間。

根據不同的檢測需求，我們可以將紅外光細分為：

近紅外線（NIR）：波長範圍為 700～1000nm（從人眼無法察覺的範圍到矽能反應的範圍）；
短波外線（SWIR）：波長範圍為1000～3000nm（從矽的截止頻率，到大氣紅外窗口的截止頻率）；
中波紅外（NWIR）：波長範圍為 3000 至 5000 nm；
長波紅外（LWIR）：波長範圍為 8000 至 12000 或 7000 至 14000 nm；
遠紅外（FIR）：波長範圍為 12000 至 30000 nm。

近紅外線（NIR）剛好在人眼可見部分的旁邊，而中長波紅外線（MWIR、LWIR）和遠紅外線（FIR）則比人眼可見部分更遠。

補光燈

紅外線的

在安控攝影機的早期發展中，索尼、三星、松下、夏普等日韓品牌主要關注寬動態、低光等攝影機的性能。紅外線技術的研究和開發並不多。早期，索尼和松下都沒有紅外線安控攝影機。原因將在紅外線 LED 問題部分詳細說明。台灣和中國的安控攝影機廠商看到了紅外線技術在安控攝影機應用上的發展前景，相繼推出紅外線攝影機和 IR-CUT 技術，產生了非常好的市場效應。

如前所述，安控攝影機一般在可見光不足時使用近紅外線補光。這是因為 CCD/CMOS 的感光元件是由矽製成的，而矽對近紅外光非常敏感。同時，人眼對近紅外光不敏感，可以避免光污染，夜視時更隱蔽。安控攝影機一般使用 850nm 和 940nm 紅外線補光燈，850nm 使用較多。

前面說過，人眼能輕微感知 880～780nm 的光，所以人眼能稍微看到 850nm 的紅外光（紅色亮點人眼可見），而 940nm 的紅外線則完全不可見，所以 940nm 紅外線攝影機的隱蔽性更好。但遺憾的是 CCD/CMOS 圖像感測器，對 940nm 光的靈敏度比 850nm 差很多。為了獲得更好的夜視效果，現在大多數紅外線攝影機都使用 850nm 紅外線 LED。

下圖顯示了 CCD/CMOS 圖像感測器如何反應不同的光線。

IR-CUT 技術

理論上，溫度高於絕對零的物體可以發出光，各種光，包括可見光和近紅外光。白天自然界也有很多近紅外光。雖然肉眼看不見，但安控攝影機很容易捕捉到這些近紅外光並做出反應。這就產生了一個問題。由於紅外光的干擾，攝影機拍攝的彩色影像圖像的顏色會不真實、色偏（偏離肉眼可見的顏色，一般為紫色）。有必要想辦法過濾掉多餘的紅外光。在夜間，為了提高攝影機在黑暗環境中的靈敏度，需要盡可能多地吸收光，包括近紅外光。

為了滿足這一需求，產生了雙濾波器切換技術。雙濾光片切換技術，即 IR-CUT 技術，IR-CUT 的核心是兩個濾光片 + 電源切換器件。這兩個濾光片是紅外線截止或吸收濾光片和全透射光譜濾光片。IR-CUT 安裝在攝影機鏡頭和感測器之間。在白天，默認狀態是紅外線截止濾光片工作。多餘的近紅外線通過鏡頭到達 IR-CUT，並被紅外線截止濾光片攔截。它不能到達感測器表面，從而保證了攝影機捕捉到的影像圖像的真實色彩。晚上，IR-CUT 上的電源裝置透過光感應啟動，濾光片自動切換，紅外線截止濾光片取下，並且全透射光譜濾光片工作，從而保證所有光線（包括近紅外線）都能到達感測器，可以充分利用所有光線，從而大大提高攝影機的弱光性能。（在某些情況下，為了保證夜視黑白圖像的透明度和更好的效果，可能會使用可以過濾可見光的濾鏡）。

篩選

過濾器由帶有特殊染料的塑料或玻璃製成。紅色濾光片只能讓紅光通過，以此類推。玻璃片的透光率本來就和空氣差不多，所有的有色光都可以通過，所以是透明的，但是染上顏色後，分子結構發生了變化，折射率也發生了變化，從而改變了某些光的通過。彩色光。

圖像感測器 NIR 技術

雖然矽可以靈敏地反應近紅外線，但為了實現更好的紅外線夜視，CMOS 廠商不斷透過技術提高圖像感測器的近紅外線成像效果和靈敏度。NIR 技術是圖像感測器製造商的重點和核心技術。

紅外線發展

紅外線技術分為被動紅外線熱成像感測和主動紅外光發射。安控攝影機通常使用主動紅外線技術。

整體來看，安控攝影機紅外線補光燈技術的發展經歷了 3 代。

第一代，傳統 LED，直插式。單顆發光二極管採用環氧樹脂材料封裝，晶片尺寸一般在 12mil-16mil 之間。封裝尺寸一般為 φ5 或 φ8。聚光是透過晶片中的反射鏡和封裝環氧樹脂頂部的透鏡實現的。鏡頭可以做成不同的角度，以配合攝影機鏡頭的角度，以達到最佳效果。

主要特徵：

單次功率小。晶片尺寸 12-16mil，單燈電流很小，功率很低。為了達到良好的效果，一般要增加粒子數。普通粒子數一般為 24-56 個，照射距離從 10 米到 40 米不等。如果你想照亮更遠的地方，很難用這個 LED。
光線衰減得很快。環氧樹脂鏡片受熱容易破裂，紅外光很容易通過破裂的表面折射回來。隨著時間的推移，斷裂面越來越多，折射回來的紅外光也越來越多，能穿透的很少。這是傳統 LED 衰減快、壽命短的主要原因。
散熱差。傳統的 LED 是透過兩個引腳通電，發光，同時發熱，熱電不分離。周圍溫度較高，會降低電子元件的壽命。但是，如果單個 LED 壞了，不會影響其他 LED 繼續工作。

第二代紅外線 LED 稱為 LED Array。

陣列紅外光的產生是為了解決傳統 LED 紅外光的不足。在小面積內整合多個低功率 LED，以提供單個 LED 的功率。同時採用不易斷裂的矽膠封裝材料，減少光衰，延長燈具壽命。另外，採用熱電分離工藝將晶片排列在銅基板上，銅基板與攝影機外殼連接導熱，解決了散熱問題。

然後這種陣列紅外線 LED 一投放市場就被淘汰，並沒有得到市場的認可。主要原因是：

亮度不夠。多個 LED 組合在一起時，晶片整體尺寸過大，沒有集中的發光點。光線通過透鏡，只有少數光線可以準確地折射到理想的方向，其中大部分被反射或折射到其他地方。結果，在相同功率下，陣列紅外線 LED 的亮度比傳統的紅外線 LED 差。
大量的整合燈晶導致高成本。

基於第一代和第二代紅外線 LED 的優缺點，第三代紅外線 LED —— 點陣紅外線 LED 誕生了。點陣紅外線 LED 一般稱為 IR-III。其主要特點是：

使用單個大功率 LED 晶片，目前最常見的是 42mil。第三代點陣紅外線 LED 的功率遠大於第一代 LED 燈。需要注意選擇合適電流的攝影機電源。如果使用 POE 供電，需要注意夜視紅外線 LED 全開後，攝影機能否穩定工作，POE 供電、網路傳輸是否正常。有時候供電不能保證，或者不能滿足 POE 供電要求，我寧願選擇使用第一代，普通 LED 紅外線 LED 的攝影機。
採用第二代陣列紅外線 LED 電熱分離技術和封裝技術。工作穩定，壽命長，衰減慢。
採用二次聚光技術，光源有效利用率可達 95%。首先，燈晶的反光鏡和封裝矽膠的透鏡形成一次聚光，然後燈杯的反光鏡和透鏡形成二次聚光。
採用單晶片，成本可控。

第三代點陣紅外線 LED 除了常見的 42mil 晶片尺寸外，還有 5050（20mil）、2835（14mil、20mil）、3030、微點陣 φ5（10mil）等系列。

紅外線 LED 的問題

安控攝影機用紅外線補光燈的發展，經歷了幾代人。雖然新品不斷變化，但老科技產品卻因為紅外線補光技術本身的先天缺陷，總能被保留下來，並沒有被徹底淘汰。

使用紅外線 LED 的攝影機功率大、發熱大，在特殊行業和場景使用時，存在潛在危險。如石油、化工、煤礦等工廠，在工作場所使用，存在潛在的危險和安全隱憂。
使用紅外線 LED 時，攝影機夜視成像時的某些場景或被監控物體，很容易造成紅外光過曝，難以看清細節，如人臉等。（當然，針對這個問題，現有的攝影機方案廠商已經進行了針對性的優化，效果非常好）。
用紅外線夜視拍車牌，車牌會反光，根本看不清楚。因此，車牌攝影機一般使用白光補光或不使用補光，選擇弱光能力較好的感測器方案。在智慧交通領域，一般採用頻閃燈或白燈。
紅外光將始終衰減。使用時間長了，夜視效果會大打折扣。
紅外線 LED 的功率比較大，使用 POE 供電或集中供電時很難滿足要求。只能選擇不帶紅外線 LED 的攝影機，或者功率更低的第一代普通 LED 的攝影機。
紅外線 LED 補光後，影像圖像為黑白。與彩色圖像相比，細節缺失，不利於尋找線索，如警察偵查。因此，在平安城市，社保中的安控攝影機一般不使用紅外，而多使用微光、星級攝影機。

白光（暖光）

除了紅外光，攝影機還可以使用白光、暖光，功能與紅外光基本相同。不同的是，白光（暖光）用於照明。白光本質上是可見光，其隱蔽性不如紅外光。白光和暖光的區別只是光源的色度和亮度。

如前所述，智慧交通行業的攝影機一般採用白光頻閃燈或常亮燈來補光。

最近出現了紅外線光/白光（暖光）二合一雙光源補光燈。使用這種雙源燈，紅外線 LED 工作在一般夜視場景，隱蔽性好。監控影像圖像為黑白；當有人進入監控區域時，會觸發攝影機的人形檢測功能報警，從而關閉紅外線 LED ，打開白光（暖光），影像圖像變得多彩。這解決了前面提到的夜視黑白圖像丟失人的細節的痛點，白光也可以起到警示作用。

上面提到的攝影機可以在檢測到人物後觸發警報。一些製造商將攝影機與警告燈或喇叭連接起來。當有人進入監控區域時，可觸發警示燈報警或喇叭語音警報。當然，這個功能不在補光的範圍內。屬於攝影機的智慧分析和報警功能。

光敏電阻（相機自動感應，軟感光模式）

有兩種方法可以打開補光燈。一種是通過光敏電阻，另一種是透過攝影機控制。

光敏電阻是由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部光電效應。光敏電阻對光非常敏感。無光時，處於高阻狀態。光線強時，電阻迅速減小，反之亦然。

光敏電阻對光的敏感度，非常接近人眼對可見光的反應。人眼只要能感覺到光線，就會導致其電阻發生變化。光敏電阻的這一特性，可以用來控制攝影機紅外光的開關。

白天有可見光時，光敏電阻感應光線，燈板控制電路驅動 IR-CUT，和攝影機同時切換到白天色彩模式；夜間無燈或燈光變暗，光敏電阻無光照射，燈板電路控制紅外線 LED 開啟，同時驅動 IR-CUT 和攝影機切換到夜間黑白模式。因此，攝影機安裝後，燈板上的光敏電阻不能被擋住，以免影響燈板的正常工作。

光敏電阻對光的敏感度是固定不變的。這將使紅外線 LED 開關能夠滿足我們，在不同安裝環境下，對同型號攝影機的特殊需求。比如光敏電阻太靈敏，可見光還是很亮，攝影機的紅外線 LED 板已經開始工作，影像圖像變黑了；或者環境已經很暗了，但是紅外線 LED 燈板沒有打開，導致監控畫面變暗。看不清楚。

為了解決上述問題，透過攝影機鏡頭感應光線，來控制紅線 LED 開關的方法應運而生。其核心是攝影機鏡頭捕捉光線的強度，透過攝影機內部的自動曝光，和自動白平衡算法，控制電路，產生高低電平信號，輸出到紅外線 LED 燈板，從而控制開機的紅外光。由於不需要傳統的光敏電阻，這種方法也稱為軟光敏模式。

與傳統的光敏電阻控制方式相比，軟光敏電阻的優勢很明顯：我們可以根據需要動態調整攝影機的光敏度，從而影響紅外線 LED 燈板的開合，滿足不同場景的需求。另一方面，攝影機感應到的光線是動態變化的，因此可以輸出動態變化的控制信號，從而可以對燈板的亮度進行相應的動態調整。