光学低通滤波器技术及其在CCD摄像机中的应用

Key words : optica low pass filter ; Nyquist limit ; aliasing ; birefringent quartz crystal
一 、问题的提出
的混叠现象 ,并在图像上产生差拍干扰 ,波形中 6MHz
近 20 年来 ,随着电视技术的发展 ,作为图像传感器 以后的信号就是差拍分量 。这里假设 CCD 的抽样频率
11 提高 CCD 水平分辨率的措施 (1) 增加光敏单元数量 ,提高取样频率 ,减小频谱 混叠部分 ; (2) 采用前置滤波 ,降低 CCD 光敏面上光学图像 的频带宽度 ,以减小频谱混叠 ,即采用光学低通滤波器 ; (3) 用函数控制 ,减小在离散成像系统中的频谱混 淆。 21 后处理滤波技术 (1) 采用空间偏置技术 ,通过微扫描 ,减少光电成 像系统频谱混淆 ; (2) 利用快速傅里叶计算的方法 ,减小频谱混淆 , 提高 CCD 摄像系统的分辨率 。 三 、光学低通滤波器及其工作原理 光学低通滤波器是由两块或多块石英晶体薄板构 成的 ,放在 CCD 传感器的前面 。目标图像信息的光束 经过 OL PF 后产生双折射 (分为寻常光 o 光束和异常光 e 光束) 。根据 CCD 像素尺寸的大小和总感光面积计 算出抽样截止频率 ,同时也可计算出 o 光和 e 光分开的 距离 。改变入射光束将会形成差频的目标频率 ,达到减 弱或消除低频干扰条纹的目的 ,特别是彩色 CCD 出现 的伪彩色干扰条纹的目的 。图 4 所示为 OL PF 在光路 中的工作原理图 。
Technique of the optical lo w2pass f ilter
and its appl ication in CCD camera
LIN J ia2ming1 , YANG Long2rong2
(11 Beijing Institute of Technology , Beijing 100081 , China ; 21 Mintron Enterprise Co. , Ltd , China) Abstract : An optical low2pass filter (OL PF) used in front of sensor of a CCD camera , is designed accord2
光 学 技 术 第
1999
6 年
期 11 月
O
P
T
ICAL
Hale Waihona Puke Baidu
TECHN IQU E
Nov.
No. 6 1999
文章编号 : 100221582 (1999) 0620087203
光学低通滤波器技术及其在 CCD 摄像机中的应用 Ξ
林家明1 , 杨隆荣2
(11 北京理工大学 光电工程系 , 北京 100081 ; 21 台湾敏通企业股份有限公司) 摘要 : 利用石英晶体的双折射效应 ,设计制成用于 CCD 摄像机传感器前的光学低通滤波器 (optical low pass filter ———OL PF) ,它可以有效地降低或消除离散光电探测器对不同空间频率目标成像所产生的 拍频效应或称莫尔条纹混淆现象 。OL PF 的采用提高了 CCD 摄像机的成像质量 ,尤其是提高了 CCD 摄 像机对条状和栅格状目标成像时的清晰度 ,并可消除伪彩色干扰纹的影响 。 关 键 词 : 光学低通滤波器 ; 奈奎斯特极限 ; 频谱混叠 ; 石英双折射晶体 中图分类号 : O43711 ; O734 文献标识码 : A
第 6 期 林家明 ,等 : 光学低通滤波器技术及其在 CCD 摄像机中的应用
分开的距离为 d , d 与石英晶体薄板厚度 T 有关 , 其关
系式为
d
=
T
( no2 - ne2) tgθ no2 tg2θ + ne2
(2)
当 tgθ= ne/ no 时 ,就可求出最大的分开距离 。当 ne≈ no , tg45°= 1 时 ,公式可简化为
频谱如图 3 所示 ,取样后的信号频谱分布和幅度变化如
下:
sin
nπ
τs Ts
nπ
τs Ts
=
sin ( nπf sτs) nπf sτs
(1)
式中 ,τs 为取样脉冲宽度 , 即一个感光单元的宽度 ; Ts
为取样周期 , 即一个像素的宽度 ( 含两侧的不感光部
分) 。
对 CCD 摄像机所拍摄的图像在水平方向的清晰度有很 大影响 。
图 3 取样脉冲宽度对取样信号频谱的影响 当 n = Ts/τs 时 , 谱线包络达到第一个零点 , 这是 孔径光阑效应的表现 。若高频信号幅度下降 ,可适当选 择 τs ,使在 f s/ 2 处的频谱幅度下降得小一些 ,使频谱混 叠 (见图中的阴影部分) 部分减小 。τs 越小 , 频谱幅度 下降越缓慢 ,混叠部分增大 。τs 增大 , 频谱幅度下降加 快 ,频谱混叠部分减小 。可见 ,在 CCD 中感光单元的宽 度和像素宽度有个最佳比例 ,即像素的尺寸和像素的密 度以及像素的数量都是决定 CCD 分辨率的主要因素 。 在图像上反映出来的频谱混叠会引起低频干扰条纹 ,它
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图 4 OL PF 在光路中的工作原理图 1 —测试图案 ;2 —CCD 摄像机物镜 ; 3 —石英晶体薄板组 OL PF ;4 —红外截止滤光片 ; 5 —CCD 传感器保护玻璃 ;6 —CCD 像元微透镜阵列 ; 7 —彩色 CCD 编码膜阵列 ;8 —CCD 光敏元像素阵列 ; 9 —CCD 驱动处理电路 ;10 —监示器 。 下面简单描述一下系统的成像过程 : 包含有各种不同频率的 CZP 二维视频测试图案经 过 CCD 光学镜头成像 ,成像光束通过石英晶体薄板和 红外滤光片后产生低通滤波效果 ,并截去 0176μm 以上 波长光 ,经过保护玻璃进入微透镜阵列和彩色编码器 , 最后成像在 CCD 光敏面上 ,变成带有目标图像信息的 电信号 ,经过处理电路输出复合视频信号 。 我们重点讨论一下低通滤波器的工作原理 ,如图 5 所示 。根据 Fresnel 假设 和 Huygens 原 理 计 算 光 的 传 播 。入射光和光轴所形成的角度为 θ, 寻常光线的折射 率为 no ,异常光线的折射率为 ne ,寻常光线和异常光线
造成所谓纹波效应或莫尔效应 ,图像将产生周期频谱交 有明显的低频差拍存在 ,差拍频率约 1MHz。这些混叠
叠混淆或称为拍频现象 。如图 1 所示 , CZP 测试卡测 的信号将影响图像清晰度 ,甚至出现彩色条纹干扰 。
试的图像目标通过成像系统后输出的视频图像叠加有
二 、物理解释及提高分辨率的措施
低频的圆环条纹即莫尔条纹 。从电视信号来讨论这个 现象可看到三种混淆频率存在 。图 2 (a) 所示为电视系 统高频特性测试图 ,图像中的不同宽度的矩形条纹表示 按时间分布的时间频率 (015 ,1 ,2 , …10 ,015MHz) 。在 波形监视器上 ,当观测电视扫描一行的波形时 ,可看到 如图 2 (b) 所示的 CCD 的抽样频谱与基带图像信号频谱
图 9 频率数的响应曲线图
时 ,就会有如图 8 所示的黑白电平变化 。当分开距离 d 与条纹宽度相等时 , 光强为 0 (20 条) ; 当条纹宽度是分 开距离 d 的 1/ 2 n 时 ,光强为 100 (40 条 ,80 条) ;当条纹 宽度是分开距离 d 的 1/ (2 n + 1) 时 ,就会成为梳型滤波 (60 条) 。由此可知 ,条纹宽度比分开距离大时已经变 成几乎不受其影响的低通滤波器 。经过计算我们可得 到如图 9 所示频率数的响应曲线 。
下的目标像有可能与 CCD 阵列水平方向或垂直方向的
空间频率叠加产生差拍的频率 ,这个频率刚好是在图像
低频范围内 ,使所成的像产生干扰条纹的频率) 会产生
分离 ,使频率发生小量变
化 。分 离 的 寻 常 光 和 异
常光 光 强 会 减 少 一 半。
图 7 和图 8 所示为一组不
同空间频率的光栅目标 。
由于 CCD 器件具有早期较大感光面积硅靶连续探 测器件所不能比拟的优点 ,所以被广泛地采用 。但由于 CCD 离散像素受到采样频率的限制以及由于芯片总的 感光面积较小而受到二维孔径光阑的影响 ,所以又产生 了一些新的频谱问题 ,直接影响 CCD 摄像机的成像清 晰度和分辨能力 ,这也是 CCD 摄像机制造者急待解决
ing to t he birefringent effect of crystal. OL PF can effectivelly reduce or eliminate t he frequency mixing ( Morie) p henomenon when t he object wit h a variety of t he spatial frequencies is imaged on t he discrete p hoto2 electric detector. The image quality of t he CCD camera wit h OL PF can be improved. Especially , t he distinct2
的 CCD 摄像机是一种离散像素的光电探测器 。根据奈 为 15MHz ,在图像信号为 10MHz 时 ,混叠频率分量为
奎斯特定理 ,一个图像传感器能够分辨的最高空间频率 15MHz - 10MHz = 5MHz ,在图像信号为 9MHz 时 ,混叠
等于它的空间采样频率 f 0 的一半 。这个频率称为奈奎 频率分量为 15MHz - 9MHz = 6MHz ,这两项混叠频率
若频率为 20 条即表示在 1mm 的 宽 度 内 有 25μm
宽的黑白线条 20 对 ,如双 折射 在 25μm 内 , 当 空 间
频率在 5 ,10 ,20 ,40 ,60 对
图 7 标准黑白条纹 及电压信号
图 8 不同频率黑白条纹及变化电压信号
图6
分开的距离 。经过第二片石英晶体薄板后 ,又将 o1 光 束 、e1 光束分为 oo2 、oe2光束和 eo2 、ee2 光束 。通过晶体 滤波片后 ,原来的目标包含的空间频率的光束 (该频率
ness can be enhanced when t he objects such as fringes or grates are imaged on t he sensor of t he CCD camera ,
and t he effects of t he disturbing fringes of false color can be eliminated.
CCD 传感器在垂 直和水平方向传输光 学信息都是离散的取 样方 式 , 这 是 因 为 它 的光敏单元在水平方
图 1 CZP 测试卡经 CCD 摄像机输出的图像
图2
(a) —电视系统高频特性测试图 ;
(b) —CCD 摄像机输出一行视频信号示波图
向也是离散的 。根据取样定理可知 ,CCD 输出信号的
d
=
T ·nnoo22
+
ne2 ne2
(3)
如 图 6 所
示 ,利用石英晶
体的双折射效
果 ,使成像光束 经过不同厚度
的石英晶体薄
板 , 光 轴 成 45° 角 ,使带有同一 目标图像的信
息被 分 成 o1 光 束和 e1 光束 ,形 成相对错开的
像 ,分开的距离 满足消除一维 拍频干扰条纹
图 5 光线通过石英晶体后的 传播方向
斯特极限频率 f N ( f N = f 0/ 2) 。在用 CCD 摄像机获取 分量经电路低通滤波后都是无法滤掉的 ,并与有用图像
目标图像信息时 ,当抽样图像超过系统的奈奎斯特极限 信号一样被输出 ,如在波形中在 9MHz 和 10MHz 频带
频率时 ,在像感器上 ,高频成分将被反射到基本频带中 , 处叠加的 5MHz 和 6MHz 信号成分 。在 7MHz 信号上
Ξ 收稿日期 : 1999206224 作者简介 : 林家明 (19492) ,男 ,辽宁沈阳市人 ,北京理工大学光电工程系副教授 ,主要从事测试技术及 CCD 应用技术的研究 。
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光 学 技 术 1999 年 11 月
的问题 。本文就目前 在彩色 CCD 摄像机中 对采用预处理滤波技 术做 一 简 单 介 绍 , 供 大家讨论和研究 。