滤光片在摄像头中的工作原理

2014-01-04 admin1 4821

一、光的特性

        光是由一种称为光子的基本粒子组成,具有粒子性与波动性,或称为波粒二象性。它的物理特性有直进性、反射、折射、干?h、衍射、偏振及光电效应等等。光又是能量的一种传播方式。

       光源之所以发出光,是因为光源中原子的运动,包括热运动、跃迁辐射、受激辐射三种,前者为生活中最常见的,如灯光和火焰,后者多应用于激光。在光的产生过程中,因为跃迁能级的不同,释放出不同频率的光子(爱因斯坦能量方程),即产生电磁波辐射,其波长范围为1nm(1nm=10-9m)至1mm(1mm=10-3m),根据波长不同,可以把光分成γ射线区、X射线区、紫外光区、可见光区、红外光区、微波区、无线电波区等几个部分。按红外射线的波长范围,可粗略地分为近红外光谱(波段为780nm-2526nm)、中红外光谱(波段为2526nm-4000nm)和远红外光谱(波段为5000nm-14um),可见光通常指波长范围为:390nm-780nm的电磁波。但人眼实际可见范围是:312nm-1050nm。而可见光区不同频率的光会呈现不同的颜色,依次为红:605nm-700nm,橙:595-605,黄:580-595,绿:500-560,青:480nm-490nm,蓝:435nm-480nm,紫:400-435。白光为所有这些光谱的综合。如果用棱镜折射白光,就能够观察到上述可见光光谱,我们将复色光(如白光)被色散系统(如棱镜)分类后,按波长的大小依次排到的图案称为光谱。

       光沿直线传播,也就是说,光是直线运动的,也不需要任何介质,但在其他物体的重力场的影响下,光的传播路径会发生偏折。光线遇另一介质反射的情况是指入射光返回原介质的情形,反射定律可按下列三原则来解释:

        入射线、反射线与法线在同一平面上。

        入射线与反射线在法线的两侧。

        入射角等于反射角:∠θi=∠θr

        光从不同密度的介质穿过时发生的偏折现象称为折射,不同介质可以出现不同的折射角,由该介质的折射率n=sim∠θ1?usim∠θ2来决定,并遵从斯涅尔定律:n1sim∠θ1=n2sim∠θ2。物质吸收光子并激发出自由电子的行为称为光电效应,也就是一种光游离作用(光子将电子撞出原子,使之游离的过程)。正是由于光具有光电效应,科学家因此发明了光偶合成像技术,包括CCD:全称ChargeCoupledDevice即电荷耦合器件的缩写,它是一种特殊半导体器件,上面有很多一样的感光元件,每个感光元件叫一个像素;和CMOS:全称ComplementaryMetalOxideSemiconductor,即互补金属氧化物半导体。它们被广泛应用于数码照相机、DV、监控摄像机、电子显微镜等等。

 

二、滤光片的作用

1、镀膜和蓝玻璃的作用

       普通监控摄象机的光偶合成象IC可感应到所有可见光区和部分红外光区。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,它是窄带分布于近红外光谱波段范围内,为普通CCD和CMOS可感受的范围。这样,不论在白天还是在夜晚,都能进行实时监控。由于任何在绝对零度(-273℃)以上的物体都对外发射红外线,也就是说在白天,CCD或CMOS同时感应到可见光和红外光,根据光的折射原理和定律可得出:波长越长,折射率越小;波长越短,折射率越大。因此,当这些光线同时进入摄像机镜头,被镜头透镜折射后,可见光和红外光就会在不同的靶面成象,而可见光的成像为彩色图像、红外光的成像为黑白图像,当我们将可见光所成图像调试好,也就是所谓图像聚焦和后焦调整,这时红外光就会在这个靶面形成虚像,从而影响图象的颜色和质量。对此,我们可以用镀膜的方法或蓝玻璃来滤除红外光,还原物体的真实颜色,从而解决图像色彩失真的问题。

       镀膜分真空镀膜和化学镀膜两种,化学镀膜是将石英片侵入溶剂中加以电镀,成本低但镀膜厚度不均匀且容易脱落,真空镀膜是用真空蒸镀法,镀膜厚度均匀且不容易脱落,但成本较高。这两种我们都称之为IRCoating。IRCoating能滤除650nm波长以上的光,能够满足一般要求不高的CCD摄像机的要求;而对于不同品牌、规格、型号的CMOS,由于存在红外半峰带宽的问题,它们感应红外光的条件是不一样的,因此必须针对每一款产品,镀与之相适应、截止不同波长波段的膜,以达到最佳效果。蓝玻璃是用“吸收”的方式过滤红外光,可过滤630nm波长以上的光,并且过滤比较彻底;而IRCoating镀膜是用“反射”的方式滤掉红外光,而反射光容易造成干扰,因此,蓝玻璃是比较好的选择。有时,在实际应用中遇到需滤除强光照射的情况,例如汽车大灯(远光灯)灯光的强光对摄像机CCD具有强烈影响,必须滤除这部分光,才能使强光周围物体清晰成像。我们可以改变膜系,使强光所在波长范围的光全部滤除以达到目的。

       另外,滤光片还要加上所谓的ARCoating的镀膜,目的是增加透光率,因为光线在透过不同介质(比如从空气进入石英片)时,会产生部分的折射和反射,当加上单面ARCoating后,滤光片会提升3-5%的透光率,如果加上双面ARCoating镀膜,滤光片可达到98%以上的透光率,否则只有不到90%的透光率,这对CCD或CMOS的感光度就有很大的影响,也就是说,不用ARCoating就会降低摄像机的感光度,而使用双面ARCoating,就会使图像更清晰。同时,滤光片有ARCoating的保护也就不容易起雾了。

2、水晶的作用与选择

       众所周知,CCD和CMOS两者都是利用矽感光二极管进行光与电转换的图像传感器,由一颗颗的感光体(CELL)构成,它要求光线最好是直射进来,斜射进来的光会干扰到邻近感光体,而产生色漂(伪彩),这就需要对光线加以修整。我们利用水晶的物理偏光特性,把射进来的光线,保留直射部分,反射和折射斜射部分,避免斜射光去影响旁边的感光点。但是,斜射光存在不同的角度,一片水晶只能处理一个方向的斜射光,从理论上来说,不同方向的水晶片叠加的层数越多,解决色漂(伪彩)的效果就越好。但考虑到实际需求和成本,一般都只用1到3片水晶片,来解决水平、垂直和45°角的色漂(伪彩)问题。也就有所谓“两片式”、“三片式”滤光片,其中IRCoating膜或蓝玻璃用来滤除红外光,而水晶用来修整光线,在水晶片上还需ARCoating镀膜,用来增加透光率。

        水晶修整光线是物理方式的,而不同CCD的品牌、规格、型号及不同像素还有N制、P制的不同,水晶的厚度都要配合CCD上感光点而变化,不能错误搭配使用。例如8.8X8.2X3.07mm的三层滤光片是SONY409CCD高清摄像机的最佳选择,而8.8X8.2X2.85mm的三层滤光片是专为SONY405CCD设计的,大家还常常将1.08的水晶错误地用在SONY405CCD上,等等。

3、单滤光片的应用和不足

       滤光片在修整光线和还原图像真实色彩的同时,将红外线也滤除了。因此,在夜晚无可见光的情况下,就无法成像,也就没有了夜视功能。为了解决这一问题,便开发出双峰值高的单滤光片并加以运用,这种摄像机就有了夜视功能。但这种单滤光片,虽然成本低廉,又能兼顾白天与晚上的波长吸引,由于开放了波长频率,从而在白天,由于自然界的光线中含有较多的红外光,其中一部分也能进入CCD或CMOS并干扰图像色彩还原,例如绿色植物变得灰白,红色衣服变成灰绿色等等(有阳光的室外环境尤其明显),而且为了综合考虑白天和晚上的效果不至于难以接受,滤光片的波形就很难完全适应,在白天任然有一些红外光干扰图像色彩还原;在晚上由于双峰玻璃片的过滤作用,使CCD或CMOS不能充分利用所有光线从而产生雪花点现象,并降低红外摄像机的图像清晰度和低照性能。

 

三、IRCUT双滤光片技术

       双滤光片技术,即IRCUT双滤光片切换器,它能让普通日夜型摄像机在晚上和白天分别使用不同的滤光片工作,因而能有效解决双峰单滤光片日夜不能兼顾而产生的问题。IRCUT双滤光片切换器由一个红外截止低通滤光片和一个全光谱光学玻璃构成,它通过一块电路控制板和切换装置来进行切换、定位。当白天的光线充分时,电路控制板驱使切换器切换并定位到红外截止滤光片工作,CCD或CMOS还原出真实色彩;当夜间可见光不足时,红外截止滤光片自动移开,全光谱光学玻璃开始工作,这时,它能感应红外灯的红外光,使CCD或CMOS充分利用到所有光线,从而大大提高了红外摄像机的夜视性能,整个画面也就清晰自然了。

       IRCUT双滤光片技术的应用,不论对于晚上还是白天的效果,都有极大的改善,但IRCUT双滤光片切换器过去由于技术、认识等多种因素,存在着各种各样的问题,并非所有工厂的IRCUT双滤光片切换器的产品都成熟而有效。

       很多人感觉滤光片是无足轻重的东西,其实,滤光片,在光学仪器等各行业都起着重要的作用;大部分的工厂,一提到红外效果的提升,都只往CCD或CMOS的硬件和软件方面进行优化改进、或将镜头加以改善、或进行红外灯及电路板方面的优化改进,而滤光片的作用,自然会在轻视之列。通过以上对光的特性的系统分析,以及滤光片的作用特别是IRCUT双滤光片技术的介绍,相信大家一定会重新认识并重视它了。由于双滤光片技术为新兴技术,笔者接触它的时间也不长,希望能与各方同行朋友共同分享,意在抛砖引玉,不正确的地方,期待各位同行的批评、指正,希望行家多多指教。

 

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