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红外激光灯在安防夜视监控中的应用特点与发展历史
来源:本站原创    发布时间:2018-09-01 17:58:10

红外激光灯在安防夜视监控中的应用特点与发展历史

半导体红外激光灯在安防夜视监控中的发展历程表

初始年份

发展阶段

智能化

专业级别

激光输出模式

应用特点

2009

第一代

非自动

非专业

自由空间

距离近、散斑明显、定焦或手动、手电筒效应、性价比低、4

2010

第二代

半自动

光纤

距离近、角度小、手电筒效应、散斑明显、4

2012

第三代

自动型

商用级

自由空间

远距、自动化、功耗大、有散斑、手电筒效应、4

2013

光纤

远距、自动化、大功率、有散斑、手电筒效应、4

2015

第四代

智能型

专业级

自由空间

远距、无散斑、智能化、4

光纤

超远距、无散斑、智能化、4

2016

第五代

安全型

工业级

自由空间

远距、全智能、安全、3B

各个发展阶段的半导体红外激光灯主要性能指标列表

主要性能

性能指标

第一代

第二代

第三代

第四代

第五代

有效距离

近距(≤100米)

中距(≤500米)

远距(>500米)

超远距(≥3000米)

功能性

夜视

手电筒现象

光学变焦处理设计

散热系统

匀化系统

自动化

同步对焦

自动调光

智能化

即插即用

远程控制

远程监控

整机光能利用率

10%

20%

30%

40%

安全性

4

3B

工作温度范围

0~+30

-20~+50

-40~+85

20世纪70年代初面世,受其技术发展、高成本价格的限制,直至21世纪初半导体激光器才正式进入安防夜视监控行业市场,解决了LED红外夜视监控因寿命短、有效距离近、品质良莠不齐等缺陷,满足了远距离、高清晰、低能耗的市场需求。到目前为止,半导体红外激光灯发展虽只是短短不到10年时间,却已经历了五个不同发展阶段,从非专业性的小众应用需求,发展到全球化、智能化的工业级应用。但即便如此,不少用户对红外激光灯了解不多,存在较大误区,甚至连红外激光灯与LED红外补光灯都无法区分开来。为此,对红外激光灯的市场应用特点与发展历史进行详细介绍,希望对广大用户有所帮助。

安防监控夜视照明的半导体红外激光灯按其激光输出模式可划分为自由空间红外激光器、光纤红外激光器两种,两种激光灯先后面世,起初交替升级发展,形成了激光灯的不同发展阶段,最终进入适合各自特点优势的市场领域——自由空间红外激光灯占据了中近距、远距的市场,光纤红外激光灯占据了超远距的市场。红外激光灯的技术、市场应用发展趋势也不断升级改变,从最初的实现夜视功能、清晰夜视效果的功能性,逐步发展到自动化、智能化夜视监控的简便性,最后到低耗节能、市场应用的安全性为主。到2016年,第一代、第二代产品市面上已极为少见。

第一代红外激光灯——非专业型,自由空间输出,百米有效距离

形式各异的第一代红外激光灯

第一代红外激光灯为自由空间输出模式的。虽然自由空间红外激光灯在夜视照明发展较早,但都只是零星应用需求下催生出的非标准、非专业的研发样品,并没形成批量生产规模,综合成本远高于LED红外补光灯。而且早期的红外激光技术、光学处理、设计工艺水平都较低。导致激光光斑的散斑十分严重,稳定性差,手电筒现象,有效照明距离只有100米左右。主要应用在道路、港口、边防等对画面效果要求不高的LED红外监控又难以实施的夜视监控。受技术、研发、市场多方面不利因素的制约,红外激光夜视照明技术的发展十分缓慢。

第一代红外激光灯结构组成示意图(2个主要组成部分)

第二代红外激光灯——非专业型,光纤输出

第二代红外激光灯

在光纤激光器的发展初期,以微瓦级为主,主要应用于光通信领域。由于微瓦级的光纤激光器光输出功率太低,并不适用于夜视照明领域。随着大功率半导体激光器的研发成功和光纤技术的发展,大功率光纤激光器便应运而生,并且应用于医疗、激光泵浦源、材料处理(切割、焊接、标刻等)、军事国防安全等领域。一直到了2010年,大功率光纤激光器技术得到良好的发展,才逐步应用到安防夜视监控行业,弥补了早期第一代自由空间激光器的光功率低、有效照明距离近、不能变焦等不足

第二代红外激光灯结构组成示意图(3个主要组成部分)

光纤激光器从面世发展到现在,其发展方向呈现两极分化:微瓦级,应用在远程光通信及医疗领域;大功率级(百瓦、千瓦甚至万瓦),应用在材料处理及军事国防领域。而应用在夜视照明的主要是小功率级(几瓦、几十瓦),只占光纤激光器市场应用极少的一部分。同样的,第二代红外激光灯受到诸多不利因素影响,特别是光纤激光器昂贵的价格,其目的只是单纯为了满足更远的有效照明距离需求,有效照明距离从100米提升至300米左右,并没哪家激光器和激光灯厂家对这领域的技术开展真正的深入开发,对夜视照明效果、照明角度、照明控制等关键点进行优化,更别说形成专业应用的产品系列。从这个角度上来说,第二代红外激光灯仍只是一种非专业的夜视照明激光灯。

第三代自动型红外激光灯——自由空间及光纤输出2种模式并存

第三代红外激光灯(自由空间输出模式)

一、第三代自由空间输出模式红外激光灯

虽然,第二代红外激光灯的价格不菲,但据我们对当时的市场调研统计,由于第一代红外激光灯光功率低,有效距离太近,在150-500米的夜视监控范围,80%以上的红外激光夜视安防监控厂家使用光纤红外激光器,市场占有率大大超过了自由空间激光器的份额。随着夜视监控技术、互联网技术及信息传输技术的高速发展,高清晰、中远距的红外激光夜视照明市场需求不断攀升,市场上亟待一种高性价比、高品质的红外激光灯的出现,用红外激光替代LED红外的呼声也越来越大。

第三代红外激光灯正是在这样的市场环境下应运而生的,为应对这新兴的巨大的市场潜力需求,夜视监控行业开始出现专门从事研发生产中近距红外激光灯的厂家。首先出现的第三代红外激光灯是采用自由空间输出模式,增加了激光匀化系统、散热系统、光学处理设计系统、自动控制系统;激光光斑变得细腻,监控效果较以往的清晰;实现了与监控摄像机同步对焦、自动调光的自动化功能;大大提高了红外激光灯应用的方便性及稳定性。第三代红外激光灯不但功能与效果优于第二代的,而且整体的成本更低,也标志着红外激光照明逐步进入专业化、商业化发展。

以下是第三代红外激光灯新增的几个组成结构的特点,也是它区别于第一、二代红外激光灯及LED红外灯的重要特征。

1、激光匀化系统

与前面2代红外激光灯不一样,第三代红外激光灯普遍使用低成本的、效果好的,而且较容易实现的毛玻璃激光匀化技术。发展初期是使用静态的毛玻璃进行激光匀化,这就是市场上所称的空间积分匀化技术,效果并不太理想。后来,采用了转动式的毛玻璃进行匀化,被称之为“空间+时间”积分匀化技术,激光匀化效果比静态毛玻璃好得多。虽然毛玻璃激光匀化技术因成本低、效果好而被广泛使用,但是,随着夜视监控对清晰度、稳定性的要求越来越高,毛玻璃激光匀化技术的缺陷也正逐步突显(原因在第五代红外激光灯阶段会有详细介绍),越来越不适应市场需求发展。

2、光学变焦处理设计系统

光学变焦处理设计系统是红外激光灯专业化发展的标志之一,是实现红外夜视照明自动化的前提。由于LED红外灯只是一个简单的光源,并没有进行光学处理设计的变焦系统。因此,这也是红外激光灯区别于LED红外灯夜视监控的特征之一。

光学变焦处理设计系统一般由2至5块透镜组成,以实现红外激光灯的照明角度能跟随监控摄像机视场角度的大小变化而变化。但遗憾的是,受制于当时红外激光器技术发展且在夜视照明行业应用尚浅、光学处理设计人才匮乏、市场需求首选较远的有效距离、生产厂家使用高功率的激光器弥补光学设计不足等诸多因素,第三代红外激光灯照明角度的远角乃至近角仍普遍存在手电筒现象,以至于不少用户错误地将手电筒现象作为识别红外激光灯的特点。

3、自动控制系统

自动控制系统主要体现在自动调光、同步对焦2个功能上,也是红外激光灯区别于LED红外灯的特征之一。自动调光是根据摄像机视场角的大小,自动计算并调节激光发光强度,避免光浪费或光强不足。解决由于近距离光强过高,画面发白;或距离过远光强过低,画面灰暗的问题。

同步对焦可实现与镜头同步变焦聚焦,视配市面上变倍监控摄像机镜头,精准计算摄像机焦距变化并调整光强,避免红外激光在变焦过程中忽强忽弱,确保摄像画面效果稳定、清晰。

4、散热系统

随着半导体激光器的功率逐步提升,激光器在运行过程中,温度越来越高,热沉也越来越大,散热系统对红外激光灯的稳定性、使用寿命则越为重要。散热采取的方式方法也层出不穷,有早期单纯性的金属外壳导热、镂空设计、风冷散热、液冷散热和综合散热方案设计。

第三代自动化红外激光灯结构组成示意图(5个主要组成部分)

自2012年起,高清晰、智能化、网络化成为智慧城市夜视监控市场的需求趋势,第三代自由空间输出模式的红外激光灯恰好乘着这股罡风很快就进入到大规模的商业化发展,它不但价格低于光纤输出模式的第二代红外激光灯、自由空间输出的第一代红外激光灯,而且效果、性能、功能等方面都得到了很好的改善。因此,很快就抢占了绝大部分的中近距和小部分远距的夜视监控市场。

虽然第三代红外激光灯比LED红外灯的夜视效果要好很多,距离远很多,应用起来更为专业、便利,但由于成本价格相差悬殊的原因,此时的红外激光灯实际上只是弥补了LED红外灯涉及不到市场需求,而并没造成实际性的市场冲击。

二、第三代光纤输出模式红外激光灯

第三代红外激光灯(光纤输出模式)

由于受到大功率红外激光技术和市场应用需求的限制,第三代自由空间输出模式的红外激光灯的有效距离最远只能做到800米左右。因此,光纤输出模式的红外激光灯以其光强高、角度小、有效照明距离远的特点同样迎来了一个崭新的发展机遇。

它是在第二代红外激光灯的基础上增加了光学变焦处理系统、激光匀化系统、自动控制系统及散热系统几个组成部分升级而成,有效照明距离覆盖范围从300米~3000米。至此,第三代红外激光灯开始分为自由空间输出、光纤输出两种模式。出于有效距离和成本价格的考虑,前者主要应用在中近距夜视监控市场,后者则用在远距、超远距夜视监控市场,它们之间的应用特点与区别,见下面比较表:

对比项目

自由空间输出模式红外激光灯

光纤输出模式红外激光灯

有效照明距离

100m800m

300m3000m

照明角度

5°~50°

0.5°~50°

激光器功率

3W15W

5W30W

散热方式

风冷、散热块

风冷、充氮

激光匀化技术

毛玻璃

光纤、震动、毛玻璃

成本价格

千元级别

万元级别

外型尺寸

较小

大好几倍

第三代两种不同输出模式红外激光灯的性能比较表

尽管不同品牌红外激光灯的参数可能有所不同,但整体来说第三代红外激光灯的指标都相差不大。正如比较表所示,第三代红外激光灯虽已进入商业化,但它的照明角度比摄像机视场角偏小,激光器功率偏大的缺陷。

三、3大先天不足的缺陷

大功率光纤激光器的结构原理和市场应用决定了第三代光纤红外激光灯的主要特性:功率大,光强高,准直性好,角度小。相对安防夜视照明而言,直接使用光纤激光器来作为夜视照明的红外激光灯,至少有三大先天不足,它们的需求点与需求方向是不一样的。

红外激光成为夜视照明光源的首要条件是看激光的匀化效果,而要用于材料处理时正好相反,追求的是光强与光的准直性。如下面的光纤激光器设计原理示意图,光纤实际起着谐振腔、激光传输以及激光匀化的三大重要作用。激光在以特定的入射角度通过光纤过程中,光纤会产生一定的消除散斑作用,不同材料的光纤、不同的入射角度都会直接影响消除散斑效果以及激光出光功率。光纤的长度越长,消除散斑的效果越好;激光在光纤的入射角度越小、光纤的透光性越高,激光出光功率就越大。但这种单一方式消除散斑的效果,远不如专业的匀化装置的匀化效果。单束激光如要达到良好的匀化效果,光纤长度起码在十米甚至百米以上,而光纤激光器生产厂家原配的光纤长度,一般只有1-1.5米长。不过,如光纤太长,不但应用起来不方便,而且还会降低实际的出光功率。这就形成了光斑质量与光强一对矛盾的关系,红外激光灯设计需要考虑在光强、光斑与成本之间取得最佳的平衡点。

第三代光纤红外激光灯设计原理示意图

其次,相对自由空间激光器而言,光纤激光器的激光利用率更高、准直性更好,但激光器的原始照明角度进入光纤时会有所缩减,激光在光纤输出时角度相对更小。因此,角度小是光纤激光器的第二个特点。众所周知,照明角度越小,就光强越大,照明距离也越远。而且,照明角度越小,越容易造成夜视监控出现的手电筒现象。虽然,市面上使用光纤激光器的监控效果大都存在手电筒效果,相比距离与光强的需求而言,市场还是能接受的。这也是在前几年,自由空间激光器亮度不足及有效照明距离较近,光纤激光器的市场占有率较大的主要原因之一。

价格昂贵是光纤激光器进入夜视照明的最大障碍,安防行业不同于其它材料处理行业,对成本十分敏感而且利润比较透明,特别是在中近距夜视照明,利润较低,因而该市场被价格低廉的LED红外灯长期占据着。一颗LED红外灯售价从几元到十几元,一个自由空间激光灯价格范围在千元级别,一个光纤激光器则需要上万甚至数万元。高昂的光纤激光灯成本,决定了它很难大规模进入中近距、甚至远距的夜视照明市场。

综合以上三点,光纤激光器并不是专业的夜视照明红外激光光源,用它所生产出来的第三代光纤红外激光灯只能算是一种非专业夜视照明红外激光灯。

第四代智能型红外激光灯——自由空间及光纤输出2种模式并存

第四代智能型红外激光灯(自由空间输出模式)

随着安防摄像监控智能化技术的突飞猛进发展,第三代自动型的红外激光灯的市场应用越显得滞后,暴露出至少三大弱点。

第一,无法实现自动匹配各大品牌监控摄像机的自动化控制系统。安防监控行业中海康、大华、宇视、三星、英飞拓、华为等各大品牌的摄像监控设备的软件控制系统都有所不同,自动型红外激光灯虽然可以针对其中某个品牌的产品进行匹配实行自动化控制,但并不能同时对各大品牌的照明角度、同步对焦、自动调光等自动化功能进行匹配。只能在出厂前根据监控设备生产商提供的系统数据对红外激光灯重新设定系统软件参数,进行相应的匹配设置。这不但导致了红外激光灯生产厂家的运营成本增加,而且还严重阻碍了厂家的市场拓展步伐及对市场的反应速度。

第二,无法实现远程调控,自动角度匹配。监控设备在运输过程中,可能会导致监控设备与红外激光灯产生角度偏移,因此,在工程完成时,都必须对每个监控摄像设备进行检测、校对。其中仅光轴对准一项的平均耗费时间就在20分钟左右。这无疑给监控设备工程商增加了不菲的人力成本及时间成本。

第三,无法对红外激光灯的温度、功耗、光效、电流电压等工作状态实时监控与智能控制,对软件进行远程设置与在线升级。

不难看出,第三代自动型的红外激光灯在实际应用过程中并非如人们所期望那样方便、简单。相反,对于红外激光灯生产厂家、监控设别商、安防工程商及终端用户来说都显得十分被动、束缚。其主要根源归咎于红外激光照明的自动化技术远跟不上安防监控摄像智能化技术的发展步伐,就像要用千里马拉着高铁跑一样,尽管各自都是一级棒的好手,结果却显得无能为力。

因此,虽然第四代红外激光灯在照明效果、照明角度和品质上都有了很大的改善,但智能化才是第四代红外激光灯最主要的特征。

第四代智能型红外激光灯结构组成示意图(6个主要组成部分)

智能型的红外激光灯增加了智能化控制系统,通过软件来进行智能化、远程化控制,实现了即插即用、远程控制、远程监控三大功能。整体而言,第四代红外激光灯分为初级智能化和全智能化两个级别,它与第三代产品有3个重要区别。

其一是照明角度的改善。由于光学处理设计水平的提升,夜视照明的角度范围已经能全程覆盖市面上主流品牌监控摄像机镜头的视场角,第四代红外激光灯(即使是光纤输出模式的超远距红外激光灯)已基本消除了夜视照明远角的激光光斑手电筒现象。

其二是自动化控制升级为智能自动化控制,同步变焦、自动调光采用多种方式结合的智能化数字控制,是红外激光灯智能化的初级模式。如,第三代红外激光灯采用的是实时读取镜头焦距变化数据,然后再调整红外激光灯的亮度与照明角度。第四代的则还可以结合实时监测应用环境情况,自动光敏控制调光及变焦功能。

其三是通过软件系统实现与监控设备即插即用、远程控制、远程监控,是红外灯智能化的高级模式,也被称为全智能红外激光灯。它可以智能匹配不同品牌的监控设备,实现即插即用,无需进行角度匹配;实现了远程调控,自动调整或远程校正照明角度与监控摄像角度偏差;系统对激光器的温度、功耗、光效、电流电压等工作状态实时监控,智能控制;软件系统支持在线远程设置与升级。

第四代智能型红外激光灯(光纤输出模式)

值得一提的是,光纤输出模式的第四代红外激光灯除了在智能化方面的改进外,更重要的是体现在对激光匀化技术上的优化。市场上有采用毛玻璃、震动式、转动式、反射腔、加长光纤等多种方式混合使用的匀化技术,但比较普遍而实用的是采用毛玻璃匀化。主要原因有2点,一是毛玻璃匀化会导致激光的照明角度变偏大,二是在一定程度上降低激光强度。正如前文所说,角度小、光强大恰好是光纤激光器应用在夜视照明中的2个先天不足弱点。而毛玻璃激光匀化技术这一弊端反而“歪打正着”,既改善了光纤激光器角度小,又解决了光纤激光匀化效果不好的问题。再配合光学处理设计系统、自动控制系统和智能化控制系统,第四代光纤输出模式的红外激光灯正式成为专业级的超远距红外激光灯。很快就独霸了公里级以上的夜视监控照明市场,广泛应用于海防、边防、军警云台设备等专业市场领域。

虽然,第三代与第四代红外激光灯的主要差异是由自动化升级为智能化的功能性改革,在红外激光专业技术上并没有太大的不同。但是,由于激光夜视照明技术发展较晚,价格相对较高,而且近90%夜视监控市场集中在价格低廉的LED红外技术民用市。以至于激光夜视照明应用市场相对而言要小很多,只是被应用于平安城市、智能交通、车载系统、监狱、边防海防、森林防火、油田油库、大型厂区、安全部门、生态保护区、能源采矿、水利电力、机场港口、行政执法、渔政海监等商业市场及专业市场。

第五代安全型红外激光灯——3B类,自由空间输送

第五代安全型红外激光灯(自由空间输出模式)

红外激光夜视照明要进入民用市场的最大壁垒除了价格以外,就是市场上对激光安全的担心。在欧美、日本等一些发达国家的夜视监控市场,对红外激光灯的安全要求更是十分严格。根据美国PDA标准、国际电工委员会IEC标准规定,只有达到3B类激光安全等级的红外激光灯才允许在开放式环境中使用,4类激光安全等级的一律只能在封闭式的环境中使用。非常遗憾的是,从第一代到第四代的红外激光灯都同只达到4类激光安全级别。2015年,曾有某上市公司的夜视监控摄像设备出口到日本,结果却遭遇到退货并罚款,原因只是因为他们使用的3B类安全等级的红外激光灯实际上达不到3B类等级标准。自此,要做出口产品,首先关注的就是激光灯的安全等级。假3B类激光安全事件为中国安防夜视监控业界敲响了警钟,同时也是国内企业开拓国外市场、进入民用市场的硬伤。

一直到2016年6月,三千米光电推出全球首款3B类激光安全级别的红外激光灯,这就是第五代安全型的红外激光灯。它不仅是全智能的,而且外型与第四代自由空间输出的红外激光灯十分相似,整机尺寸大小一样,只是出光镜头的直径大了很多。之所以能成为全新一代的红外激光灯,源于它拥有了前面所有版本都无法实现的几大特点。

首先,使用安全的VCSEL面射型激光光源。第五代安全型红外激光灯是业内第一只基于VCSEL面射型激光芯片生产的,属于面光源,在人的视网膜上成像是一个面。前面四代红外激光灯都是使用EEL边射型激光芯片,属于点光源,在视网膜上成像是一个点。因此,同样大小功率的激光,面光源的光能量密度要比点光源的小。

美国国家标准局(ANSI)公布的ANSI Z136眼睛安全标准800nm激光的最高能量密度规定为1MJ/cm2 ●秒,创造损伤概率微乎其微,被认为是安全的光源。第五代安全型红外激光灯所使用的VCSEL激光的能量密度远低于ANSI Z136眼睛安全标准的几十倍,而EEL边发射激光的能量密度却远高于此安全标准值。这也是前四代红外激光灯产品一直达不到3B类激光安全级别的主要原因。

其次,应用安全的光学设计。以往,因受到激光技术发展水平限制,为获得较远距离的有效照明距离,激光照明普遍使用大功率的激光器,而且还尽可能的将激光光速聚集以获得更高的光功率。然而,这设计思路与安全的目的是背道而驰的。也曾有人对第五代安全型红外激光灯的大直径出光镜头提出疑问,镜头越大,光衰减越大,激光器功率势必越大。

其实这是一个错误的判断。出光镜头越大,其光能量密度自然越低,只要通过高水平的光学处理设计,确保出光激光光束保持高准直性,激光输出的总能量大小实际上损失极少。从而实现了低能量密度、高光强的安全光学设计。有着“世界最大的天眼”之称的贵州500米口径球面射电望远镜就是一个很好的例证。随着大功率激光器的技术发展,安全光学设计的理念将会被越来越多人认同与运用。

还有,安全型红外激光灯的耐温性达到了工业级,即工作温度范围为-40℃~+85℃,实现了-40℃超低温冷启动,这也是以往的红外激光灯都无法比拟的。

最后一个特点与安全的直接相关性并不大,却是安全型红外激光灯独有的特点:无损耗、无噪音、无抖动的3KM-AOT激光匀化技术。

业内人士都知道,毛玻璃激光匀化技术的匀化效果虽好,但仍存在着诸多不如人意的问题,如它会不同程度的损耗激光出光率,毛玻璃的透光率太高了匀化效果不明显,透光率低了出光功率衰减太大等,最要命的是激光匀化后出光功率的一致性极难控制。另外,激光匀化系统还有容易产生噪音及震动等的问题,还有毛玻璃激光匀化技术在摄像机摄像快门速度≥150时,光斑出现不同程度的忽大忽小及圆周水波纹抖动,快门速度越快,抖动的幅度越大越剧烈,这些缺陷都直接影响夜视监控效果。因此,基于毛玻璃的激光匀化技术让人既爱又恨,甚至被红外激光灯生产商喻为能不用就不用的“输液疗法”。

安全型红外激光灯抛弃了传统的基于毛玻璃的激光匀化技术,利用多个扩散光源阵列空间重叠覆盖的原理设计,完美消除激光散斑以及条纹和点状缺陷,使得激光散斑效果非常细腻柔和,避免了匀化系统对激光功率及照明效果的负影响。它与传统的毛玻璃激光匀化技术相比,有6大亮点:无损耗、无噪音、无震动、无抖动、无散斑、光强更高。

正因为有了这几个更新换代的技术特点,第五代安全型红外激光灯虽然面世时间才短短几个月,但已被海康、大华、宇视三家安防监控行业的龙头企业更新应用。虽然,目前专业生产VCSEL红外激光灯的厂家只有三千米光电一家。但随着夜视监控行业的民用、商用市场需求越来越大,越来越多的厂家蜂拥跟进,抢占市场蛋糕。相信VCSEL安全型红外激光灯在未来1、2年内便会将EEL边发射红外激光灯淘汰出局,而且,在不久的将来,很有可能突破价格限制,替换LED红外技术,大举进入近距的民用市场。在此,我们也期待着那一时刻早日到来,期待新一代的技术产品的诞生。

 

 

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