發(fā)布時(shí)間:2012-06-25 08:23:24點(diǎn)擊數(shù):5156次
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。
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(jiàn)的,如燈光和火焰,后者多應(yīng)用于激光。在光的產(chǎn)生過(guò)程中,因?yàn)檐S遷能級(jí)的不同,釋放出不同頻率的光子(愛(ài)因斯坦能量方程),即產(chǎn)生電磁波輻射,其波長(zhǎng)范圍為1nm(1nm=10-9m)至1mm(1mm=10-3m),根據(jù)波長(zhǎng)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(jiàn)光區(qū)、紅外光區(qū)、微波區(qū)、無(wú)線電波區(qū)等幾個(gè)部分。按紅外射線的波長(zhǎng)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(jiàn)光通常指波長(zhǎng)范圍為:390nm-780nm的電磁波。但人眼實(shí)際可見(jiàn)范圍是:312nm-1050nm。而可見(jiàn)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(jiàn)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(zhǎng)的大小依次排到的圖案稱為光譜。
光沿直線傳播,也就是說(shuō),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(chǎng)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(xiě),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(jiàn)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(zhǎng)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(shuō)在白天,CCD或CMOS同時(shí)感應(yīng)到可見(jiàn)光和紅外光,根據(jù)光的折射原理和定律可得出:波長(zhǎng)越長(zhǎng),折射率越小;波長(zhǎng)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(jiàn)光和紅外光就會(huì)在不同的靶面成象,而可見(jiàn)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(jiàn)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(lái)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(wèn)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(zhǎng)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(wèn)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(zhǎng)波段的膜,以達(dá)到最佳效果。藍(lán)玻璃是用“吸收”的方式過(guò)濾紅外光,可過(guò)濾630nm波長(zhǎng)以上的光,并且過(guò)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(chē)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?chē)矬w清晰成像。我們可以改變膜系,使強(qiáng)光所在波長(zhǎng)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(guò)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(shuō),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(lái),斜射進(jìn)來(lái)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(lái)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(lái)說(shuō),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(lái)解決水平、垂直和45°角的色漂(偽彩)問(wèn)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(lái)濾除紅外光,而水晶用來(lái)修整光線,在水晶片上還需ARCoating鍍膜,用來(lái)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(wú)可見(jiàn)光的情況下,就無(wú)法成像,也就沒(méi)有了夜視功能。為了解決這一問(wèn)題,便開(kāi)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(zhǎng)吸引,由于開(kāi)放了波長(zhǎng)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(yáng)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(guò)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(wèn)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(guò)一塊電路控制板和切換裝置來(lái)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(jiàn)光不足時(shí),紅外截止濾光片自動(dòng)移開(kāi),全光譜光學(xué)玻璃開(kāi)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(huà)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(guò)去由于技術(shù)、認(rèn)識(shí)等多種因素,存在著各種各樣的問(wèn)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(jué)濾光片是無(wú)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(guò)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(zhǎng),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。
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