濾光片在光學(xué)成像中的作用

一、光的特性

        光是由一種稱為光子的基本粒子組成，具有粒子性與波動(dòng)性，或稱為波粒二象性。它的物理特性有直進(jìn)性、反射、折射、干?h、衍射、偏振及光電效應(yīng)等等。光又是能量的一種傳播方式。

       （圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

光源之所以發(fā)出光，是因?yàn)楣庠粗性拥倪\(yùn)動(dòng)，包括熱運(yùn)動(dòng)、躍遷輻射、受激輻射三種，前者為生活中最常見的，如燈光和火焰，后者多應(yīng)用于激光。在光的產(chǎn)生過程中，因?yàn)檐S遷能級(jí)的不同，釋放出不同頻率的光子(愛因斯坦能量方程)，即產(chǎn)生電磁波輻射，其波長范圍為1nm(1nm=10-9m)至1mm(1mm=10-3m)，根據(jù)波長不同，可以把光分成γ射線區(qū)、X射線區(qū)、紫外光區(qū)、可見光區(qū)、紅外光區(qū)、微波區(qū)、無線電波區(qū)等幾個(gè)部分。按紅外射線的波長范圍，可粗略地分為近紅外光譜(波段為780nm-2526nm)、中紅外光譜(波段為2526nm-4000nm)和遠(yuǎn)紅外光譜(波段為5000nm-14um)，可見光通常指波長范圍為:390nm-780nm的電磁波。但人眼實(shí)際可見范圍是:312nm-1050nm。而可見光區(qū)不同頻率的光會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色，依次為紅:605nm-700nm,橙:595-605,黃:580-595,綠:500-560,青:480nm-490nm,藍(lán):435nm-480nm,紫:400-435。白光為所有這些光譜的綜合。如果用棱鏡折射白光，就能夠觀察到上述可見光光譜，我們將復(fù)色光(如白光)被色散系統(tǒng)(如棱鏡)分類后，按波長的大小依次排到的圖案稱為光譜。

光沿直線傳播，也就是說，光是直線運(yùn)動(dòng)的，也不需要任何介質(zhì)，但在其他物體的重力場的影響下，光的傳播路徑會(huì)發(fā)生偏折。光線遇另一介質(zhì)反射的情況是指入射光返回原介質(zhì)的情形，反射定律可按下列三原則來解釋：

入射線、反射線與法線在同一平面上。

入射線與反射線在法線的兩側(cè)。

入射角等于反射角：∠θi=∠θr

光從不同密度的介質(zhì)穿過時(shí)發(fā)生的偏折現(xiàn)象稱為折射，不同介質(zhì)可以出現(xiàn)不同的折射角，由該介質(zhì)的折射率n=sim∠θ1?usim∠θ2來決定，并遵從斯涅爾定律:n1sim∠θ1=n2sim∠θ2。物質(zhì)吸收光子并激發(fā)出自由電子的行為稱為光電效應(yīng)，也就是一種光游離作用(光子將電子撞出原子，使之游離的過程)。正是由于光具有光電效應(yīng)，科學(xué)家因此發(fā)明了光偶合成像技術(shù)，包括CCD：全稱ChargeCoupledDevice即電荷耦合器件的縮寫，它是一種特殊半導(dǎo)體器件，上面有很多一樣的感光元件，每個(gè)感光元件叫一個(gè)像素;和CMOS：全稱ComplementaryMetalOxideSemiconductor，即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。它們被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼照相機(jī)、DV、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、電子顯微鏡等等。

二、濾光片的作用

1、鍍膜和藍(lán)玻璃的作用

       普通監(jiān)控?cái)z象機(jī)的光偶合成象IC可感應(yīng)到所有可見光區(qū)和部分紅外光區(qū)。紅外發(fā)射二級(jí)管由紅外輻射效率高的材料(常用砷化鎵)制成PN結(jié)，外加正向偏壓向PN結(jié)注入電流激發(fā)紅外光。光譜功率分布為中心波長830～950nm，半峰帶寬約40nm左右，它是窄帶分布于近紅外光譜波段范圍內(nèi)，為普通CCD和CMOS可感受的范圍。這樣，不論在白天還是在夜晚，都能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于任何在絕對(duì)零度(-273℃)以上的物體都對(duì)外發(fā)射紅外線，也就是說在白天，CCD或CMOS同時(shí)感應(yīng)到可見光和紅外光，根據(jù)光的折射原理和定律可得出：波長越長，折射率越小;波長越短，折射率越大。因此，當(dāng)這些光線同時(shí)進(jìn)入攝像機(jī)鏡頭，被鏡頭透鏡折射后，可見光和紅外光就會(huì)在不同的靶面成象，而可見光的成像為彩色圖像、紅外光的成像為黑白圖像，當(dāng)我們將可見光所成圖像調(diào)試好，也就是所謂圖像聚焦和后焦調(diào)整，這時(shí)紅外光就會(huì)在這個(gè)靶面形成虛像，從而影響圖象的顏色和質(zhì)量。對(duì)此，我們可以用鍍膜的方法或藍(lán)玻璃來濾除紅外光，還原物體的真實(shí)顏色，從而解決圖像色彩失真的問題。

       鍍膜分真空鍍膜和化學(xué)鍍膜兩種，化學(xué)鍍膜是將石英片侵入溶劑中加以電鍍，成本低但鍍膜厚度不均勻且容易脫落，真空鍍膜是用真空蒸鍍法，鍍膜厚度均勻且不容易脫落，但成本較高。這兩種我們都稱之為IRCoating。IRCoating能濾除650nm波長以上的光，能夠滿足一般要求不高的CCD攝像機(jī)的要求;而對(duì)于不同品牌、規(guī)格、型號(hào)的CMOS，由于存在紅外半峰帶寬的問題，它們感應(yīng)紅外光的條件是不一樣的，因此必須針對(duì)每一款產(chǎn)品，鍍與之相適應(yīng)、截止不同波長波段的膜，以達(dá)到最佳效果。藍(lán)玻璃是用“吸收”的方式過濾紅外光，可過濾630nm波長以上的光，并且過濾比較徹底;而IRCoating鍍膜是用“反射”的方式濾掉紅外光，而反射光容易造成干擾，因此，藍(lán)玻璃是比較好的選擇。有時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中遇到需濾除強(qiáng)光照射的情況，例如汽車大燈(遠(yuǎn)光燈)燈光的強(qiáng)光對(duì)攝像機(jī)CCD具有強(qiáng)烈影響，必須濾除這部分光，才能使強(qiáng)光周圍物體清晰成像。我們可以改變膜系，使強(qiáng)光所在波長范圍的光全部濾除以達(dá)到目的。

       另外，濾光片還要加上所謂的ARCoating的鍍膜，目的是增加透光率，因?yàn)楣饩€在透過不同介質(zhì)(比如從空氣進(jìn)入石英片)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生部分的折射和反射，當(dāng)加上單面ARCoating后，濾光片會(huì)提升3-5%的透光率，如果加上雙面ARCoating鍍膜，濾光片可達(dá)到98%以上的透光率，否則只有不到90%的透光率，這對(duì)CCD或CMOS的感光度就有很大的影響，也就是說，不用ARCoating就會(huì)降低攝像機(jī)的感光度，而使用雙面ARCoating，就會(huì)使圖像更清晰。同時(shí)，濾光片有ARCoating的保護(hù)也就不容易起霧了。

2、水晶的作用與選擇

       眾所周知，CCD和CMOS兩者都是利用矽感光二極管進(jìn)行光與電轉(zhuǎn)換的圖像傳感器，由一顆顆的感光體(CELL)構(gòu)成，它要求光線最好是直射進(jìn)來，斜射進(jìn)來的光會(huì)干擾到鄰近感光體，而產(chǎn)生色漂(偽彩)，這就需要對(duì)光線加以修整。我們利用水晶的物理偏光特性，把射進(jìn)來的光線，保留直射部分，反射和折射斜射部分，避免斜射光去影響旁邊的感光點(diǎn)。但是，斜射光存在不同的角度，一片水晶只能處理一個(gè)方向的斜射光，從理論上來說，不同方向的水晶片疊加的層數(shù)越多，解決色漂(偽彩)的效果就越好。但考慮到實(shí)際需求和成本，一般都只用1到3片水晶片，來解決水平、垂直和45°角的色漂(偽彩)問題。也就有所謂“兩片式”、“三片式”濾光片，其中IRCoating膜或藍(lán)玻璃用來濾除紅外光，而水晶用來修整光線，在水晶片上還需ARCoating鍍膜，用來增加透光率。

       水晶修整光線是物理方式的，而不同CCD的品牌、規(guī)格、型號(hào)及不同像素還有N制、P制的不同，水晶的厚度都要配合CCD上感光點(diǎn)而變化，不能錯(cuò)誤搭配使用。例如8.8X8.2X3.07mm的三層濾光片是SONY409CCD高清攝像機(jī)的最佳選擇，而8.8X8.2X2.85mm的三層濾光片是專為SONY405CCD設(shè)計(jì)的,大家還常常將1.08的水晶錯(cuò)誤地用在SONY405CCD上，等等。

3、單濾光片的應(yīng)用和不足

       濾光片在修整光線和還原圖像真實(shí)色彩的同時(shí)，將紅外線也濾除了。因此，在夜晚無可見光的情況下，就無法成像，也就沒有了夜視功能。為了解決這一問題，便開發(fā)出雙峰值高的單濾光片并加以運(yùn)用，這種攝像機(jī)就有了夜視功能。但這種單濾光片，雖然成本低廉，又能兼顧白天與晚上的波長吸引，由于開放了波長頻率，從而在白天，由于自然界的光線中含有較多的紅外光，其中一部分也能進(jìn)入CCD或CMOS并干擾圖像色彩還原，例如綠色植物變得灰白，紅色衣服變成灰綠色等等(有陽光的室外環(huán)境尤其明顯)，而且為了綜合考慮白天和晚上的效果不至于難以接受，濾光片的波形就很難完全適應(yīng)，在白天任然有一些紅外光干擾圖像色彩還原;在晚上由于雙峰玻璃片的過濾作用，使CCD或CMOS不能充分利用所有光線從而產(chǎn)生雪花點(diǎn)現(xiàn)象，并降低紅外攝像機(jī)的圖像清晰度和低照性能。

三、IRCUT雙濾光片技術(shù)

       雙濾光片技術(shù)，即IRCUT雙濾光片切換器，它能讓普通日夜型攝像機(jī)在晚上和白天分別使用不同的濾光片工作，因而能有效解決雙峰單濾光片日夜不能兼顧而產(chǎn)生的問題。IRCUT雙濾光片切換器由一個(gè)紅外截止低通濾光片和一個(gè)全光譜光學(xué)玻璃構(gòu)成，它通過一塊電路控制板和切換裝置來進(jìn)行切換、定位。當(dāng)白天的光線充分時(shí)，電路控制板驅(qū)使切換器切換并定位到紅外截止濾光片工作，CCD或CMOS還原出真實(shí)色彩;當(dāng)夜間可見光不足時(shí)，紅外截止濾光片自動(dòng)移開，全光譜光學(xué)玻璃開始工作，這時(shí)，它能感應(yīng)紅外燈的紅外光，使CCD或CMOS充分利用到所有光線，從而大大提高了紅外攝像機(jī)的夜視性能，整個(gè)畫面也就清晰自然了。

       IRCUT雙濾光片技術(shù)的應(yīng)用，不論對(duì)于晚上還是白天的效果，都有極大的改善，但I(xiàn)RCUT雙濾光片切換器過去由于技術(shù)、認(rèn)識(shí)等多種因素，存在著各種各樣的問題，并非所有工廠的IRCUT雙濾光片切換器的產(chǎn)品都成熟而有效。

       很多人感覺濾光片是無足輕重的東西，其實(shí)，濾光片，在光學(xué)儀器等各行業(yè)都起著重要的作用；大部分的工廠,一提到紅外效果的提升,都只往CCD或CMOS的硬件和軟件方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)、或?qū)㈢R頭加以改善、或進(jìn)行紅外燈及電路板方面的優(yōu)化改進(jìn),而濾光片的作用,自然會(huì)在輕視之列。通過以上對(duì)光的特性的系統(tǒng)分析，以及濾光片的作用特別是IRCUT雙濾光片技術(shù)的介紹，相信大家一定會(huì)重新認(rèn)識(shí)并重視它了。由于雙濾光片技術(shù)為新興技術(shù),筆者接觸它的時(shí)間也不長，希望能與各方同行朋友共同分享，意在拋磚引玉,不正確的地方，期待各位同行的批評(píng)、指正，希望行家多多指教。