光學低通濾波器

光電圖像感測技術在各領域得到了大量的套用，其中光學低通濾波器技術倍受矚目。由於 CCD 的像素是離散的根據奈奎斯特抽樣定理 CCD 所能分辨的最高空間頻率是它的空間採樣頻率的 1/ 2 即奈奎斯特極限頻率。若圖像的空間頻率高於奈奎斯特極限頻率在感測器上高頻部分將被反射到基本頻帶造成圖像周期頻譜交疊即混頻現象 致使成像質量降低。光學低通濾波器技術成為消除混頻現象較有效的手段。它採用前置濾波降低光敏面上的頻譜寬度 以減小混頻。

基本介紹

• 中文名：光學低通濾波器
• 外文名：OLPF
• 功能：濾除紅外線..修整進來的光線
• 結構：兩塊或多塊石英晶體薄板構成
• 原理：雙折射作用

基本信息

光學低通濾波器大都是由兩塊或多塊石英晶體薄板構成的，放在CCD感測器的前面。目標圖象信息的光束經過OLPF後產生雙折射（分為尋常光o光束和異常光e光束）。根據CCD像素尺寸的大小和總感光面積計算出抽樣截止頻率，同時也可計算出o光和e光分開的距離。改變入射光束將會形成差頻的目標頻率，達到減弱或消除低頻干擾條紋的目的，特別是彩色CCD出現的偽彩色干擾條紋的目的。利用雙折射晶體製作光學低通濾波器，通過前置濾波，能夠有效地限制被採集圖像在光敏面上的頻譜寬度從而減小頻譜混疊。

工作原理

光學低通濾波器利用的是石英晶體的雙折射作用，把柵格狀目標的一束透射光分成兩束———尋常光和異常光，迭加後可微量改變透射光強的空間分布。在光強分布的計算中，通過消除有害干擾拍頻的頻率來確定該石英晶體的厚度。把透過光學低通濾波器的柵格狀景物分布看作為空間光柵調製器， 這樣就可初步解釋OLPF在消圖像干擾紋中的作用。

光線通過石英晶體後的雙折射效應

利用石英晶體的雙折射特性，成像光束經過不同厚度的石英晶體薄板後，光軸約成 45°角。含有同一目標圖像信息的光束被分成o1光 束和 e1 光束，形成微小錯開的像，錯開的距離滿足消除一維拍頻干擾分開的距離。經過第二片石英晶體薄板後，又將01 光束和e1光束分成為O01,e01光 束和 Oe1，ee1 光束。光束通過晶體濾波片後，原來的所包含有空間頻率的目標光束會產生分離，使頻率發生小量變化。分離的尋常光 和異常光光強會重新分布。

柵格狀分布經過石英晶體後所形成的 o 光和 e 光分布

結構設計

1、一維濾波器

OLPF的基本原理是利用雙折射晶體。當成像光束經過晶體後，帶有同一目標圖像的信息被分成O光與e光。單片雙折射晶體構成了一個簡單的一維濾波器，光點分開的距離決定濾波器的截至頻率。選擇合適的雙折射晶體厚度可以製作具有不同截至頻率的一維空間帶通濾波器。

2、兩片雙折射晶體構成的二維濾波器

實際的光電圖像感測器是二維陣列。光學低通濾波器如要在二維方向上具有濾波效果，則需要由2片或3片雙折射晶體組成。2片式OLPF構成了一個二維的濾波器，其濾波效果是一維濾波器在二維的擴展。

3、三片雙折射晶體構成的二維濾波器

3片式的OLPF是在2片光軸面相互垂直的雙折射晶體的基礎上加入了第三片雙折射晶體，第三片晶體的光軸面和其餘兩片晶體光軸面成一個夾角。這樣的設計當點光源入射時將會出現8個像點。為了表達式的簡單，僅考慮其中兩片光軸面有夾角的晶片的情況。根據雙折射規律，點光源入射後將變成4個像點。第三片晶片沒有影響第一個截至點的取值，而是改變了截至頻率點後的幅頻回響。與 單片品片的幅頻回響相比較，對於超過截至頻率的高頻信號具有更好的衰減效果。

光譜特性

為了消除彩色干擾紋，除了要考慮光學低通濾 波器的頻率特性以外，還應考慮它的光譜特性。由於CCD 感測器可以回響近紅外光，會破壞圖像的色還原，因此OLPF不僅因雙折射功能而改變入射光的空間頻率，而且還應該具有光譜選通特性。一種方法是在石英鏡片的一個表面鍍上紅外截止膜；另 一種方法是在 OLPF 中間膠合一塊紅外截止濾光片。對三種不同的OLPF 樣品進行了測試和比較。 通過測試和比較可以看出， OLPF 具有良好的紅外截止功能。

濾光片功能

濾除紅外線

彩色CCD也可感應紅外線，就是因為會感應紅外線，會導致D.S.P無法算出正確顏色，因此須加一片濾光片，把光線中紅外線部份隔開，所以只有彩色CCD需要裝濾光片，黑白就不用了。

為了實現過濾出紅外線可用鍍膜方式及藍玻璃，鍍膜分真空鍍膜及化學鍍膜方式，化學鍍膜是將石英片浸入溶劑中加以電鍍，成本低但鍍膜厚度不平均且容易脫落，真空鍍膜是用真空蒸鍍法，鍍膜均勻且不易脫落，但成本高。以上我們稱IR Coating，目地在濾除紅外線，另外還要加上所謂的AR-Coating 的鍍膜，目地是增加透光率，因為光線在透過不同介質時（比如從空氣進入石英片），會產生部分的折射及反射，加上AR-Coating 後，濾光片可達到98-99%的穿透率，否則只有90-95的穿透率,這對CCD的感光度當然有影響。

另外是用藍玻璃，藍玻璃是用”吸收”的方式過濾紅外線，而IR-Coating是用反射的方式濾掉紅外線，但反射光容易造成干擾，如果只考慮濾除紅外線，藍玻璃是比較好的選擇 . 但上文說玻璃無法修整光線，因此就有一片藍玻璃加一片石英片的所謂”兩片式”濾光片.其中藍玻璃用來濾紅外線，而石英片修整光線用，因此石英片上只需做AR-Coating就行了。

修整進光

因為CCD上是一顆顆的感光體(CELL)構成，最好光線是直射進來，但為了怕干擾到鄰近感光體，就需要對光線加以修整，因此那片濾光片不是玻璃，而是石英片，利用石英的物理偏光特性，把進來的光線，保留直射部份，反射掉斜射部份，避免去影響旁邊的感光點。但只能對一個方向修整，通常攝像機只考慮到水平解析度，因此只對光線做水平修整，因此在貼濾光片時方向要對，不可弄反了。若修整垂直光線，就黏兩片，把其中一片轉90度，因此就有這種也叫”兩片式”的濾光片，一片用在水平修整，一片用在垂直修整，其中一片再做IR-Coating 來濾紅外線。

注意事項

石英片整光效果是物理方式的，要配合CCD上感光點而變，因此理論上不同CCD廠牌及不同畫素還有N制P制，石英片厚度都不同。

石英片黏貼方式：

（1）直接就夾在遮光片上，再鎖在CCD上，好處是方便，須注意防塵；

（2）用UV膠黏，在照紫外線燈，優點是穩固，但須在無塵室或無塵箱中操作；

（3）用雙面膠帶，一黏就好了，這個最方便又省錢，但常常一段時間後就掉下來了，尤其是被太陽曬久了。