滤光片在摄像头中的原理

滤光片在摄像头中的原理

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