安防領(lǐng)域激光主動(dòng)照明技術(shù)現(xiàn)狀與展望

趙炎武

摘 要：在科技飛速發(fā)展的今天，安防行業(yè)也在不斷發(fā)展，對(duì)于照明技術(shù)的要求更是不斷提升。而激光照明技術(shù)由于其自身獨(dú)特特點(diǎn)，未來的應(yīng)用前景十分廣闊。本文就安防領(lǐng)域激光主動(dòng)照明技術(shù)現(xiàn)狀與展望做簡要闡述。

關(guān)鍵詞：安防領(lǐng)域 激光主動(dòng)照明技術(shù) 現(xiàn)狀與展望

中圖分類號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（c）-0079-02

1 安防監(jiān)控領(lǐng)域現(xiàn)有的照明技術(shù)

夜間安防系統(tǒng)使用的照明光源包括紅外LED與紅外LD，前者使用成本比較低，應(yīng)用時(shí)間也比較早。而隨著LD價(jià)格的持續(xù)降低，激光照明應(yīng)用范圍在持續(xù)擴(kuò)大。安防領(lǐng)域照明使用的激光其波長保持在800～1000nm范圍內(nèi)。利用激光光源進(jìn)行照明屬于主動(dòng)照明成像技術(shù)，區(qū)別于紅外熱成像與微光夜視技術(shù)。再者屬于被動(dòng)成像范疇，無需主動(dòng)照明光源。依據(jù)不同的照明距離要求，照明功率滿足相應(yīng)的雷達(dá)方程。

在雷達(dá)方程中涉及一些關(guān)鍵參數(shù)，如攝像機(jī)的靈敏度閾值，在零照度情況下，需要的照明發(fā)射功率值、照明距離、目標(biāo)反射系數(shù)、照射角、照明系統(tǒng)透過率、大氣衰減系數(shù)、成像系統(tǒng)透過率、成像通光孔徑、成像系統(tǒng)焦距等。激光照明角度配置需要結(jié)合到監(jiān)控距離，攝像機(jī)選擇方面，照度值不需要很高，鏡頭孔徑值很關(guān)鍵，盡量選擇大孔徑，以此來確保夜視儀的實(shí)用性價(jià)比。在實(shí)際應(yīng)用中，夜間照明距離在100m之外的，激光功率通常不小于2W。但是由于相關(guān)因素如大氣損耗、夜間監(jiān)控環(huán)境、攝像機(jī)種類、鏡頭不同，照明距離遠(yuǎn)近、激光功率與照明角度選取也會(huì)隨之改變。

2 激光主動(dòng)照明技術(shù)

2.1 激光光斑整形勻化

傳統(tǒng)激光器，激光出射角度在垂直與水平方向上不相等。后者發(fā)射角度大，將其角度方向稱之為快軸方向。而前者的發(fā)射角度小，將其角度方向稱之為慢軸方向。激光遠(yuǎn)場光斑呈現(xiàn)橢圓形，由于激光的干涉作用，光斑的均勻性差，呈明暗間隔分布。無法直接作為照明用光源。對(duì)于光斑勻化可以從以下方面來考慮。

一是利用光纖耦合的方式，對(duì)光斑作勻化處理。該方法在照明光斑勻化方面應(yīng)用范圍比較廣泛。并且耦合光纖在合束數(shù)量增加的同時(shí)，光斑的均勻性也在提升，亮度也會(huì)增加，照明效果也有顯著變化，但是實(shí)現(xiàn)真正意義上消除光斑的不均勻性幾乎是不可能的。如果要利用耦合勻化的方式來解決光斑問題，激光源需要提供理想均勻的光斑，也必須有與軸向垂直且理想的合束光纖端面，端面的光潔度經(jīng)筆者驗(yàn)證在納米級(jí)的光潔度為佳。這樣的要求對(duì)于產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)帶來困難。

二是利用光學(xué)積分方式進(jìn)行勻化，通過對(duì)激光器進(jìn)行勻化，從而實(shí)現(xiàn)均勻照明目的。但是采用該方法的不足之處在于，裝置在光化學(xué)勻化后，激光耗損不可避免。耗損率大概在10%之上，這樣的損耗無論對(duì)于光源器件本身還是散熱件、結(jié)構(gòu)件都是致命的。該技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)就在于減少損耗，增強(qiáng)勻化效果。

2.2 大角度寬范圍激光連續(xù)變焦照明

在安防監(jiān)控有效距離之內(nèi)，近距離監(jiān)控時(shí)要求視場盡可能的大，而距離較遠(yuǎn)時(shí)，保證足夠的角度，以滿足清晰成像要求。而在實(shí)際工作中，攝像機(jī)焦距在變化的同時(shí)，視場角也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。鑒于此，要求照明角度覆蓋全部監(jiān)控視角，即在監(jiān)控視角變化的同時(shí)，照明角度也必須要發(fā)生相應(yīng)變化，以滿足工作需要。而要達(dá)到該目的，就要求激光發(fā)射角度是可變并且連續(xù)的。將鏡頭變焦控制技術(shù)應(yīng)用于激光照明器，從而實(shí)現(xiàn)照明角度在大范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，并且在一定的角度范圍內(nèi)可變。

2.3 激光智能照明同步變焦技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)采用的是自動(dòng)化處理模塊，并與預(yù)置位鏡頭相配合，激光照明角度可以與鏡頭的成像視角自動(dòng)保持一致。

2.4 激光光軸微調(diào)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)

激光主動(dòng)照明技術(shù)照明角度與攝像機(jī)角度要時(shí)刻保持重合一致。攝像機(jī)光軸與激光光軸二者之間的軸向偏差要控制在視場角的1/10范圍內(nèi)。對(duì)于夜視成像系統(tǒng)而言，長焦距端視場角的最小角度控制在0.5°以內(nèi)。成像鏡頭與激光光軸二者光軸之間要保持平行穩(wěn)態(tài)，光斑位置要在視場中心。應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，攝像機(jī)光軸與激光光軸二者之間的軸向精度差要小于0.05°。在兩套設(shè)備對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)完成后利用機(jī)械自鎖結(jié)構(gòu)鎖緊，用照明角度與攝像機(jī)角度二者的完美匹配實(shí)現(xiàn)監(jiān)控范圍和激光功率的線性關(guān)系。

3 激光照明安全

激光照明安全性方面考慮的內(nèi)容有是否會(huì)對(duì)人體造成傷害，是否會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定則指出，LED、LE的區(qū)別體現(xiàn)在發(fā)光效率、發(fā)光角度、工作壽命方面。在波長與光功率等方面沒有明顯的區(qū)別，符合安全標(biāo)準(zhǔn)。通過計(jì)算可以看出，在最小發(fā)射角情況下，當(dāng)距離控制在5m范圍時(shí)，照明的范圍只有0.08m左右，其有效照明面積在0.006m2左右。在不考慮大氣衰減因素下，當(dāng)激光照明器的功率保持在4W時(shí)，目標(biāo)處在光功率密度要低于正午太陽光的光功率密度。前者約為666W/m2，后者約為1000W/m2。當(dāng)使用功率為4W的紅外激光時(shí)，取照明角度最小，可以實(shí)現(xiàn)800m距離照明。利用激光監(jiān)控時(shí)，應(yīng)該將其安裝于高處，與地面之間距離控制在5m之上。

當(dāng)人處于激光危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，激光雖然是對(duì)人眼不可見的，但是能夠感覺到紅曝。人體本能的眨眼，則會(huì)使目光迅速脫離照射區(qū)域，以此避免傷害到眼睛。

4 激光照明技術(shù)應(yīng)用于安防領(lǐng)域的展望

4.1 新型激光照明光源

VCSEL與LED、LD光源有明顯區(qū)別，前者兼具了后者的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)光閾值低、較好的穩(wěn)定性、壽命長、集成高、小體積、小散角、光斑模式好、價(jià)格便宜、小長寬帶窄、耦合效率高等。

由于腔體積減少，自發(fā)輻射因子要高于普通端面激光器，多方面的物理性能會(huì)得到改變。在成本控制方面，可以在線測試。由于垂直發(fā)光方向的沉底散熱使二維陣列集成可以較容易實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到更高輸出功率的目標(biāo)。在制造工藝方面，前者與后者兼容，規(guī)模化生產(chǎn)成本低廉，與傳統(tǒng)的LD相比，更具有價(jià)格方面的優(yōu)勢，推廣與應(yīng)用工作也更容易開展。

4.2 激光距離選通照明

受到大氣的散射作用，激光照明光速的散射光進(jìn)入到系統(tǒng)后會(huì)對(duì)成像造成影響，系統(tǒng)圖像信噪比會(huì)由此而降低。解決該問題，可以利用距離選通技術(shù)。以時(shí)間先后作為依據(jù)，將不同距離的目標(biāo)反射光與非目標(biāo)散射光二者區(qū)分開，并使目標(biāo)反射激光脈沖成像。遠(yuǎn)距離激光照明選通成像系統(tǒng)的照明光源是高能量的脈沖激光，通過對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行照射，利用選通相機(jī)作為接收設(shè)備，利用延遲聲控技術(shù)對(duì)激光脈沖發(fā)射與相機(jī)快門成像時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保觀察目標(biāo)反射脈沖激光在相機(jī)的工作時(shí)間內(nèi)到達(dá)并成像，從而將不同距離的散、反射光分開，以獲取清晰圖像。

5 結(jié)語

安防領(lǐng)域監(jiān)控市場發(fā)展速度非?？?，并且激光紅外市場也已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，市場競爭激烈。隨著技術(shù)發(fā)展成熟，產(chǎn)品的性價(jià)比將會(huì)進(jìn)一步提升，在未來一段時(shí)間內(nèi)，其市場前景將會(huì)非常的廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 李明，徐現(xiàn)剛.安防領(lǐng)域激光主動(dòng)照明技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].激光雜志，2017，38（3）：1-4.endprint