IR CUT雙濾光片對視頻成像技術(shù)的影響

影像傳感器對成像效果起著至關(guān)重要的作用，像素越高，影像傳感器內(nèi)部集成的感光電極也越多，同時我們也應(yīng)該想到提升像素勢必要涉及到制造成本，每提高一個等級，數(shù)碼相機的價格都要高出一截，而且提升到一定程度后，CCD傳感器由于制造工藝的限制，短時間內(nèi)很難再有所突破。

　　目前主流的DSLR機型使用的CCD最多為600萬像素左右，即使現(xiàn)在索尼生產(chǎn)出了700萬、800萬像素的CCD，但想要將其安置在DSLR機身內(nèi)的話，最終效果只能是與預(yù)期效果背道而馳不合實際。而CMOS傳感器卻高達1600萬像素以上。

　　CMOS的成像原理

　　CMOS可細分為被動式像素傳感器(PassivePixelSensorCMOS)與主動式像素傳感器(ActivePixelSensorCMOS)。它原本是計算機系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料?？墒怯腥伺既婚g發(fā)現(xiàn)，將CMOS加工也可以作為數(shù)碼相機中的影像傳感器，緊跟著就由XirLink公司于1999年首次推向市場，2000年5月，美國Omnivision公司又推出了新一代的CMOS芯片。

　　CMOS最初曾被嘗試使用在數(shù)碼相機上，但與當(dāng)時如日中天的CCD相比信噪比差，敏感度不夠，所以沒能占居主流位置。當(dāng)然它也具備多種優(yōu)點，普通CCD必須使用3個以上的電源電壓，可是CMOS在單一電源下就可以運作，與CCD產(chǎn)品相比同像素級耗電量小。另外CMOS是標準工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造流水線，不需額外投資生產(chǎn)設(shè)備，并且品質(zhì)可隨半導(dǎo)體技術(shù)的進步而提升，這點正是今年索尼IRCUT雙濾光片對視頻成像技術(shù)的影響文/彭中能夠在很短時間內(nèi)開發(fā)制造出CMOS芯片的原因。

　　從技術(shù)角度分析成像原理，核心結(jié)構(gòu)上每單位像素點由一個感光電極、一個電信號轉(zhuǎn)換單元、一個信號傳輸晶體管，以及一個信號放大器所組成。理論上CMOS感受到的光線經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后使電極帶上負電和正電，這兩個互補效應(yīng)所產(chǎn)生的電信號(電流或者電勢差)被CMOS從一個一個像素當(dāng)中順次提取至外部的A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器上再被處理芯片記錄解讀成影像。

　　具體工作時先由水平傳輸部采集信號，再由垂直傳輸部送出全部信號，故CMOS傳感器可以在每個像素基礎(chǔ)上進行信號放大，采用這種方法可進行快速的數(shù)據(jù)掃描，能夠勝任千萬像素級別的信息處理速率，單憑這點CCD就是望塵莫及的。

　　雖然CMOS當(dāng)時有許多缺點，但是這些年來已找到了切實可行的解決辦法，佳能算是CMOS領(lǐng)域中造詣最深的廠商，它在2001年對CMOS技術(shù)作出了革命性的變更設(shè)計，目前其他幾家技術(shù)都有佳能的技術(shù)影子。

　　a.偏面消除噪點技術(shù)。為了消除每個像素的漂移和噪點，原傳感器控制部分經(jīng)過重新的排線設(shè)計包含了一個增幅回路，它只吸收噪點信號而不處理光學(xué)信號，可以從光學(xué)信號中去除噪點部分令傳感器以很高的信噪比讀取信號。

　　b.全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)。由于每次讀取信號時，初始值都會變化，只依靠傳感器控制回路上的消除噪點技術(shù)無法完美地解決這個問題，通過引進全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，即可維持光學(xué)信號和實現(xiàn)高信噪比處理。

　　c.傳感器模擬處理技術(shù)。傳感器控制電氣回路上集成一個PGA可編程增益轉(zhuǎn)換器，有效地降低了噪點，并加速了信號輸出能力，讓每秒約3張的高速連續(xù)拍攝成為可能。

　　CMOS發(fā)展的未來

　　從兩種類型的傳感器類型來看，CMOS在不改造制造流水線的情況下就能克服高像素制造工藝的困難，而且像素的提升也要比CCD來得稍微容易些。生產(chǎn)流水線正是CCD制造的軟肋，隨著CCD尺寸的增加，其生產(chǎn)線也往往要做相應(yīng)的調(diào)整，因此這也是高像素CCD國際市場千顆售價高居不下的原因?；旧显贑MOS方面像素數(shù)的提升與影響傳感器尺寸的增加是相輔相成的，不至于出現(xiàn)此時CCD中出現(xiàn)的一幕——800萬像素還在使用500萬像素的2/3英寸框架這種啃老本的情況，故寬容度、信噪比等各方面都比小尺寸的CCD來的優(yōu)越，這也正是800萬像素CCD至今無法運用到DSLR機身中的原因之一。

　　開發(fā)使用CMOS當(dāng)初只是佳能公司為了不受制于人的一個緩解之計，現(xiàn)在看來CMOS真的演繹了丑小鴨變白天鵝的神話?？v觀目前安防市場上網(wǎng)絡(luò)攝像機特別是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，絕大部分都是采用CMOS的機型，像素數(shù)基本分為30萬、130萬、200萬及500萬象素。

　　由于CMOS品質(zhì)的不斷提升，生產(chǎn)成本的大幅度下降，CMOS已經(jīng)占了半壁江山，更有取代CCD之勢。

　　濾光片的作用

　　鍍膜和藍玻璃的作用

　　紅外發(fā)射二級管——紅外燈是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，都能進行實時監(jiān)控。由于任何在絕對零度(-273℃)以上的物體都對外發(fā)射紅外線，也就是說在白天，CCD或CMOS同時感應(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、紅外光的成像為灰度圖像，當(dāng)我們將可見光所成圖像調(diào)試好，也就是所謂鏡頭后焦調(diào)整和聚焦，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(zhì)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(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能濾除特定波長(如650nm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(guī)格、型號的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，但藍玻璃不能單獨長時間保存和使用，因為在切割、打磨拋光加工過程中，藍玻璃表面物理層被破壞，就會產(chǎn)生析晶(俗稱發(fā)霉)，因此，我們一般常用兩片水晶夾一片藍玻璃，這樣，既解決了藍玻璃析晶，又提高了圖像的清晰度。有時，在實際應(yīng)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。我們可以改變膜系或材料，使強光所在波長范圍的光全部濾除以達到目的，這就是黑玻璃。黑玻璃有透紅外的，也有透紫外的。

　　另外，濾光片并不是完全透光的，還需要加上所謂的ARCoating的鍍膜，目的是增加透光率，因為光線在透過不同介質(zhì)(比如從空氣進入石英片)時，會產(chǎn)生部分的折射和反射，ARCoating具有抗反射之功能，當(dāng)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，ARCoating具有抗氧化之功能和有增加保護膜之功能，濾光片有ARCoating的保護也就不容易起霧了。

　　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(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來，斜射進來的光會干擾到鄰近感光體，而產(chǎn)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(shù)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(guī)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8.8×8.2×2.85mm的三層濾光片是專為SONY405CCD設(shè)計的，大家還常常將1.08mm的水晶錯誤地用在SONY405CCD上等。

　　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(fā)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使用，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，紅色圖畫變成淺紅色，黑色變成紫色等等(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都不至于難以接受，濾光片的曲線圖就很難完全適應(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)生雪花點現(xiàn)象，并降低紅外攝像機的圖像清晰度和低照性能。

　　IRCUT雙濾光片技術(shù)

　　雙濾光片技術(shù)，在不同的地方，有不同的名稱，歐美稱之為IRCUT;中國臺灣地區(qū)稱之為ICR;中國大陸稱之為雙濾光片切換器。

　　IRCUT雙濾光片切換器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(chǎn)生的問題。

　　IRCUT雙濾光片切換器由一個紅外截止低通濾光片、一個全光譜光學(xué)玻璃、動力機構(gòu)以及外殼組成，它通過一塊電路控制板來進行切換、定位。當(dāng)白天的光線充分時，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還原出真實色彩;當(dāng)夜間可見光不足時，紅外截止濾光片自動移開，全光譜光學(xué)玻璃開始工作，這時，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的夜視性能，整個畫面也就清晰自然了。

　　IRCUT雙濾光片技術(shù)的應(yīng)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(shù)、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(chǎn)品都成熟而有效。IRCUT雙濾光片切換器的好與壞取決于濾光片和結(jié)構(gòu)兩大方面。

　　濾光片的紅外線截止程度，透光率，和光整形效果均直接影響CCD、CMOS的圖像清晰度或色彩。全金屬外殼的IRCUT雙濾光片切換器，不但耐高溫，不變形，并能承載更大更重的鏡頭，還能更好地傳遞熱量，降低溫度對成像芯片的影響，確保圖像品質(zhì)穩(wěn)定。白天和夜晚要用不同的濾光片，那么，它的機械性能就非常重要。

　　IRCUT雙濾光片切換器的驅(qū)動方式和機構(gòu)多種多樣，主要分電感線圈式和電機式兩種，它們各有千秋。

　　電感線圈式又分線圈運動或磁鐵運動，以及直線運動或鐘擺運動等。線圈驅(qū)動方式的體積小，造價低，但驅(qū)動力小，自鎖能力差，線圈運動的壽命很短，而磁鐵運動的壽命很長，鐘擺運動方式的相對自鎖能力較好，但不能驅(qū)動大尺寸濾光片的。

　　電機式又分齒輪齒條式、蝸輪蝸桿式和螺旋副式等。螺旋副式的結(jié)構(gòu)緊湊，動力大，自鎖力強，是一種較好的選擇。

　　結(jié)束語

　　很多人感覺濾光片是無足輕重的東西，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(yōu)化改進，或?qū)㈢R頭加以改善，或進行紅外燈及電路板方面的優(yōu)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(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，相信大家一定會重新認識并重視它。