濾光片在光學成像中的作用

一、光的特性

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

       （圖源網絡，侵刪）

光源之所以發出光，是因為光源中原子的運動，包括熱運動、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，后者多應用于激光。在光的產生過程中，因為躍遷能級的不同，釋放出不同頻率的光子(愛因斯坦能量方程)，即產生電磁波輻射，其波長范圍為1nm(1nm=10-9m)至1mm(1mm=10-3m)，根據波長不同，可以把光分成γ射線區、X射線區、紫外光區、可見光區、紅外光區、微波區、無線電波區等幾個部分。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。但人眼實際可見范圍是:312nm-1050nm。而可見光區不同頻率的光會呈現不同的顏色，依次為紅:605nm-700nm,橙:595-605,黃:580-595,綠:500-560,青:480nm-490nm,藍: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，我們將復色光(如白光)被色散系統(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，光是直線運動的，也不需要任何介質，但在其他物體的重力場的影響下，光的傳播路徑會發生偏折。光線遇另一介質反射的情況是指入射光返回原介質的情形，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。

入射角等于反射角：∠θi=∠θr

光從不同密度的介質穿過時發生的偏折現象稱為折射，不同介質可以出現不同的折射角，由該介質的折射率n=sim∠θ1?usim∠θ2來決定，并遵從斯涅爾定律:n1sim∠θ1=n2sim∠θ2。物質吸收光子并激發出自由電子的行為稱為光電效應，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，科學家因此發明了光偶合成像技術，包括CCD：全稱ChargeCoupledDevice即電荷耦合器件的縮寫，它是一種特殊半導體器件，上面有很多一樣的感光元件，每個感光元件叫一個像素;和CMOS：全稱ComplementaryMetalOxideSemiconductor，即互補金屬氧化物半導體。它們被廣泛應用于數碼照相機、DV、監控攝像機、電子顯微鏡等等。

二、濾光片的作用

1、鍍膜和藍玻璃的作用

       普通監控攝象機的光偶合成象IC可感應到所有可見光區和部分紅外光區。紅外發射二級管由紅外輻射效率高的材料(常用砷化鎵)制成PN結，外加正向偏壓向PN結注入電流激發紅外光。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，為普通CCD和CMOS可感受的范圍。這樣，不論在白天還是在夜晚，都能進行實時監控。由于任何在絕對零度(-273℃)以上的物體都對外發射紅外線，也就是說在白天，CCD或CMOS同時感應到可見光和紅外光，根據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，當這些光線同時進入攝像機鏡頭，被鏡頭透鏡折射后，可見光和紅外光就會在不同的靶面成象，而可見光的成像為彩色圖像、紅外光的成像為黑白圖像，當我們將可見光所成圖像調試好，也就是所謂圖像聚焦和后焦調整，這時紅外光就會在這個靶面形成虛像，從而影響圖象的顏色和質量。對此，我們可以用鍍膜的方法或藍玻璃來濾除紅外光，還原物體的真實顏色，從而解決圖像色彩失真的問題。

       鍍膜分真空鍍膜和化學鍍膜兩種，化學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攝像機的要求;而對于不同品牌、規格、型號的CMOS，由于存在紅外半峰帶寬的問題，它們感應紅外光的條件是不一樣的，因此必須針對每一款產品，鍍與之相適應、截止不同波長波段的膜，以達到最佳效果。藍玻璃是用“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，藍玻璃是比較好的選擇。有時，在實際應用中遇到需濾除強光照射的情況，例如汽車大燈(遠光燈)燈光的強光對攝像機CCD具有強烈影響，必須濾除這部分光，才能使強光周圍物體清晰成像。我們可以改變膜系，使強光所在波長范圍的光全部濾除以達到目的。

       另外，濾光片還要加上所謂的ARCoating的鍍膜，目的是增加透光率，因為光線在透過不同介質(比如從空氣進入石英片)時，會產生部分的折射和反射，當加上單面ARCoating后，濾光片會提升3-5%的透光率，如果加上雙面ARCoating鍍膜，濾光片可達到98%以上的透光率，否則只有不到90%的透光率，這對CCD或CMOS的感光度就有很大的影響，也就是說，不用ARCoating就會降低攝像機的感光度，而使用雙面ARCoating，就會使圖像更清晰。同時，濾光片有ARCoating的保護也就不容易起霧了。

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行光與電轉換的圖像傳感器，由一顆顆的感光體(CELL)構成，它要求光線最好是直射進來，斜射進來的光會干擾到鄰近感光體，而產生色漂(偽彩)，這就需要對光線加以修整。我們利用水晶的物理偏光特性，把射進來的光線，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。但是，斜射光存在不同的角度，一片水晶只能處理一個方向的斜射光，從理論上來說，不同方向的水晶片疊加的層數越多，解決色漂(偽彩)的效果就越好。但考慮到實際需求和成本，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、規格、型號及不同像素還有N制、P制的不同，水晶的厚度都要配合CCD上感光點而變化，不能錯誤搭配使用。例如8.8X8.2X3.07mm的三層濾光片是SONY409CCD高清攝像機的最佳選擇，而8.8X8.2X2.85mm的三層濾光片是專為SONY405CCD設計的,大家還常常將1.08的水晶錯誤地用在SONY405CCD上，等等。

3、單濾光片的應用和不足

       濾光片在修整光線和還原圖像真實色彩的同時，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，便開發出雙峰值高的單濾光片并加以運用，這種攝像機就有了夜視功能。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，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生雪花點現象，并降低紅外攝像機的圖像清晰度和低照性能。

三、IRCUT雙濾光片技術

       雙濾光片技術，即IRCUT雙濾光片切換器，它能讓普通日夜型攝像機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生的問題。IRCUT雙濾光片切換器由一個紅外截止低通濾光片和一個全光譜光學玻璃構成，它通過一塊電路控制板和切換裝置來進行切換、定位。當白天的光線充分時，電路控制板驅使切換器切換并定位到紅外截止濾光片工作，CCD或CMOS還原出真實色彩;當夜間可見光不足時，紅外截止濾光片自動移開，全光譜光學玻璃開始工作，這時，它能感應紅外燈的紅外光，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的夜視性能，整個畫面也就清晰自然了。

       IRCUT雙濾光片技術的應用，不論對于晚上還是白天的效果，都有極大的改善，但IRCUT雙濾光片切換器過去由于技術、認識等多種因素，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，濾光片，在光學儀器等各行業都起著重要的作用；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行優化改進、或將鏡頭加以改善、或進行紅外燈及電路板方面的優化改進,而濾光片的作用,自然會在輕視之列。通過以上對光的特性的系統分析，以及濾光片的作用特別是IRCUT雙濾光片技術的介紹，相信大家一定會重新認識并重視它了。由于雙濾光片技術為新興技術,筆者接觸它的時間也不長，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、指正，希望行家多多指教。