IR CUT雙濾光片��(duì)視頻成像技��(shù)的影��
影像傳感器對(duì)成像效果起著至關(guān)重要的作��,像素越��,影像傳感器��(nèi)部集成的感光電極也越��,同��(shí)我們也��(yīng)該想到提升像素勢(shì)必要涉及到制造成��,每提高一��(gè)等級(jí),數(shù)碼相��(jī)的價(jià)格都要高出一��,而且提升到一定程度后,CCD傳感器由于制造工藝的限制,短��(shí)間內(nèi)很難再有所突破��
目前主流的DSLR��(jī)型使用的CCD最多為600��(wàn)像素左右,即使現(xiàn)在索尼生��(chǎn)出了700��(wàn)��800��(wàn)像素的CCD,但想要將其安置在DSLR��(jī)身內(nèi)的話,最終效果只能是與預(yù)期效果背道而馳不合��(shí)��。而CMOS傳感器卻高達(dá)1600��(wàn)像素以上��
CMOS的成像原��
CMOS可細(xì)分為被動(dòng)式像素傳感器(PassivePixelSensorCMOS)與主��(dòng)式像素傳感器(ActivePixelSensorCMOS)。它原本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)��(nèi)一種重要的芯片,保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資��。可是有人偶然間��(fā)��(xiàn),將CMOS加工也可以作為數(shù)碼相��(jī)中的影像傳感��,緊跟著就由XirLink公司��1999年首次推向市��(chǎng)��2000��5��,美��(guó)Omnivision公司又推出了新一代的CMOS芯片��
CMOS最初曾被嘗試使用在��(shù)碼相��(jī)��,但與當(dāng)��(shí)如日中天的CCD相比信噪比差,敏感度不夠,所以沒(méi)能占居主流位置。當(dāng)然它也具備多種優(yōu)��(diǎn),普通CCD必須使用3��(gè)以上的電源電��,可是CMOS在單一電源下就可以��(yùn)��,與CCD��(chǎn)品相比同像素��(jí)耗電量小。另外CMOS是標(biāo)��(zhǔn)工藝制程,可利用��(xiàn)有的半導(dǎo)體制造流水線,不需額外投資生產(chǎn)��(shè)��,并且品��(zhì)可隨半導(dǎo)體技��(shù)的��(jìn)步而提升,這點(diǎn)正是今年索尼IRCUT雙濾光片��(duì)視頻成像技��(shù)的影響文/彭中能夠在很短時(shí)間內(nèi)��(kāi)��(fā)制造出CMOS芯片的原����
從技��(shù)角度分析成像原理,核心結(jié)��(gòu)上每單位像素��(diǎn)由一��(gè)感光電極、一��(gè)電信��(hào)��(zhuǎn)換單��、一��(gè)信號(hào)傳輸晶體��,以及一��(gè)信號(hào)放大器所組成。理論上CMOS感受到的光線��(jīng)光電��(zhuǎn)換后使電極帶上負(fù)電和正電,這兩��(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所��(chǎn)生的電信��(hào)(電流或者電��(shì)��)被CMOS從一��(gè)一��(gè)像素��(dāng)中順次提取至外部的A/D(��/��(shù))��(zhuǎn)換器上再被處理芯片記錄解讀成影像��
具體工作��(shí)先由水平傳輸部采集信��(hào),再由垂直傳輸部送出全部信號(hào),故CMOS傳感器可以在每��(gè)像素基礎(chǔ)上��(jìn)行信��(hào)放大,采用這種方法可��(jìn)行快速的��(shù)��(jù)掃描,能夠勝任千��(wàn)像素��(jí)別的信息處理速率,單憑這點(diǎn)CCD就是望塵莫及����
雖然CMOS��(dāng)��(shí)有許多缺��(diǎn),但是這些年來(lái)已找到了切實(shí)可行的解決辦��,佳能算是CMOS��(lǐng)域中造詣最深的廠商,它��2001年對(duì)CMOS技��(shù)作出了革命性的變更��(shè)��(jì),目前其他幾家技��(shù)都有佳能的技��(shù)影子��
a.偏面消除噪點(diǎn)技��(shù)。為了消除每��(gè)像素的漂移和噪點(diǎn),原傳感器控制部分經(jīng)��(guò)重新的排線設(shè)��(jì)包含了一��(gè)增幅回路,它只吸收噪��(diǎn)信號(hào)而不處理光學(xué)信號(hào),可以從光學(xué)信號(hào)中去除噪��(diǎn)部分令傳感器以很高的信噪比讀取信��(hào)��
b.全像素電荷轉(zhuǎn)移技��(shù)。由于每次讀取信��(hào)��(shí),初始值都��(huì)變化,只依靠傳感器控制回路上的消除噪��(diǎn)技��(shù)��(wú)法完美地解決這��(gè)��(wèn)��,通過(guò)引��(jìn)全像素電荷轉(zhuǎn)移技��(shù),即可維持光��(xué)信號(hào)和實(shí)��(xiàn)高信噪比處理��
c.傳感器模擬處理技��(shù)。傳感器控制電氣回路上集成一��(gè)PGA可編程增益轉(zhuǎn)換器,有效地降低了噪��(diǎn),并加速了信號(hào)輸出能力,讓每秒��3張的高速連續(xù)拍攝成為可能��
CMOS��(fā)展的未來(lái)
從兩種類(lèi)型的傳感器類(lèi)型來(lái)��,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��(lái)得稍微容易些。生��(chǎn)流水線正是CCD制造的軟肋,隨著CCD尺寸的增��,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��(guó)際市��(chǎng)千顆售價(jià)高居不下的原��?;旧显贑MOS方面像素?cái)?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(shí)CCD中出��(xiàn)的一��---800��(wàn)像素還在使用500��(wàn)像素��2/3英寸框架這種啃老本的情��,故寬容度、信噪比等各方面都比小尺寸的CCD��(lái)的優(yōu)��,這也正是800��(wàn)像素CCD至今��(wú)法運(yùn)用到DSLR��(jī)身中的原因之一��
��(kāi)��(fā)使用CMOS��(dāng)初只是佳能公司為了不受制于人的一��(gè)緩解之計(jì),現(xiàn)在看��(lái)CMOS真的演繹了丑小鴨變白天鵝的神��??v觀目前安防市場(chǎng)上網(wǎng)��(luò)攝像��(jī)特別是高清網(wǎng)��(luò)攝像��(jī),絕大部分都是采用CMOS的機(jī)��,像��?cái)?shù)基本分為30��(wàn)��130��(wàn)��200��(wàn)��500��(wàn)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(shì)��
濾光��的作��
鍍膜和藍(lán)玻璃的作��
紅外��(fā)射二��(jí)��---紅外燈是由紅外輻射效率高的材��(常用砷化��)制成PN��(jié),外加正向偏壓向PN��(jié)注入電流激��(fā)紅外��。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��,都能��(jìn)行實(shí)��(shí)��(jiān)��。由于任何在絕對(duì)零度(-273��)以上的物體都��(duì)外發(fā)射紅外線,也就是��(shuō)在白��,CCD或CMOS同時(shí)感應(yīng)到可��(jiàn)光和紅外��,根��(jù)光的折射原理和定律可得出:波��(zhǎng)越長(zhǎng),折射率越小;波長(zhǎng)越短,折射率越大。因��,當(dāng)這些光線同時(shí)��(jìn)入攝像機(jī)鏡頭,被鏡頭透鏡折射��,可��(jiàn)光和紅外光就��(huì)在不同的靶面成象,而可��(jiàn)光的成像為彩色圖��、紅外光的成像為灰度圖像,當(dāng)我們將可見(jiàn)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(shí)紅外光就��(huì)在這��(gè)靶面形成虛像,從而影響圖象的顏色和質(zhì)��。對(duì)此,我們可以用鍍膜的方法或��(lán)玻璃��(lái)濾除紅外��,還原物體的真實(shí)顏色,從而解決圖像色彩失真的��(wèn)����
鍍膜分真空鍍膜和化學(xué)鍍膜兩種,化��(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��,真空鍍膜是用真空蒸鍍法,鍍膜厚度均勻且不容易脫��,但成本較高。這兩種我們都稱之為IRCoating。IRCoating能濾除特定波��(zhǎng)(��650nm以上)的光,能夠滿足一般要求不高的CCD攝像��(jī)的要��;而對(duì)于不同品��、規(guī)��、型��(hào)的CMOS,由于存在紅外半峰帶寬的��(wèn)��,它們感��(yīng)紅外光的條件是不一樣的,因此必須針��(duì)每一款產(chǎn)��,鍍與之相適��(yīng)、截止不同波��(zhǎng)波段的膜,以��(dá)到最佳效��。藍(lán)玻璃是用“吸收”的方式過(guò)濾紅外光,可��(guò)��630nm波長(zhǎng)以上的光,并且過(guò)濾比較徹��;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��,藍(lán)玻璃是比較好的選��,但��(lán)玻璃不能單獨(dú)��(zhǎng)��(shí)間保存和使用,因?yàn)樵谇��?、打磨拋光加工過(guò)程中,藍(lán)玻璃表面物理層被破壞,就��(huì)��(chǎn)生析��(俗稱��(fā)��),因��,我們一般常用兩片水晶夾一片藍(lán)玻璃,這樣,既解決了藍(lán)玻璃析晶,又提高了圖像的清晰��。有��(shí),在��(shí)際應(yīng)用中遇到需濾除��(qiáng)光照射的情況,例如汽��(chē)大燈(��(yuǎn)光燈)燈光的強(qiáng)光對(duì)攝像��(jī)CCD具有��(qiáng)烈影響,必須濾除這部分光,才能使��(qiáng)光周?chē)矬w清晰成像。我們可以改變膜系或材料,使��(qiáng)光所在波��(zhǎng)范圍的光全部濾除以達(dá)到目��,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��,還需要加上所謂的ARCoating的鍍��,目的是增加透光��,因?yàn)楣饩€在透過(guò)不同介質(zhì)(比如從空氣��(jìn)入石英片)��(shí),會(huì)��(chǎn)生部分的折射和反��,ARCoating具有抗反射之功能,當(dāng)加上單面ARCoating后,濾光片會(huì)提升3-5%的透光��,如果加上雙面ARCoating鍍膜,濾光片可達(dá)��98%以上的透光��,否則只有不��90%的透光��,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��(jī)的感光度,而使用雙面ARCoating,就��(huì)使圖像更清晰。同��(shí),ARCoating具有抗氧化之功能和有增加保護(hù)膜之功能,濾光片有ARCoating的保��(hù)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��(jìn)行光與電��(zhuǎn)換的圖像傳感器,由一顆顆的感光體(CELL)��(gòu)��,它要求光線最好是直射��(jìn)��(lái),斜射��(jìn)��(lái)的光��(huì)干擾到鄰近感光體,而產(chǎn)生色��(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��(jìn)��(lái)的光��,保留直射部��,反射和折射斜射部分,避免斜射光去影響旁邊的感光��(diǎn)。但��,斜射光存在不同的角度,一片水晶只能處理一��(gè)方向的斜射光,從理論上來(lái)��(shuō),不同方向的水晶片疊加的層數(shù)越多,解決色��(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��3片水晶片��(lái)解決水平、垂直和45°角的色漂(偽彩)��(wèn)題。也就有所��“兩片��”��“三片��”濾光��,其中IRCoating膜或��(lán)玻璃用來(lái)濾除紅外��,而水晶用��(lái)修整光線,在水晶片上還需ARCoating鍍膜,用��(lái)增加透光率��
水晶修整光線是物理方式的,而不同CCD的品��、規(guī)��、型��(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��(cuò)誤搭配使��。例��8.8×8.2×2.85mm的三層濾光片是專(zhuān)為SONY405CCD��(shè)��(jì)��,大家還常常��1.08mm的水晶錯(cuò)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��(shí)色彩的同��(shí),將紅外線也濾除了。因��,在夜晚��(wú)可見(jiàn)光的情況��,就��(wú)法成��,也就沒(méi)有了夜視功能。為了解決這一��(wèn)��,便��(kāi)��(fā)出雙峰值高的單濾光片并加以��(yùn)��,這種攝像��(jī)就有了夜視功能。但這種單濾光片,雖然成本低��,又能兼顧白天與晚上的使用,由于��(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��(jìn)入CCD或CMOS并干擾圖像色彩還��,例如綠色植物變得灰��,紅色圖��(huà)變成淺紅��,黑色變成紫色等��(有陽(yáng)光的室外��(huán)境尤其明��),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��(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)��(xiàn)��,并降低紅外攝像��(jī)的圖像清晰度和低照性能��
IRCUT雙濾光片技��(shù)
雙濾光片技��(shù),在不同的地��,有不同的名稱,歐美稱之為IRCUT;中國(guó)��(tái)灣地區(qū)稱之為ICR;中國(guó)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��(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��(wèn)����
IRCUT雙濾光片切換器由一��(gè)紅外截止低通濾光片、一��(gè)全光譜光��(xué)玻璃、動(dòng)力機(jī)��(gòu)以及外殼組成,它通過(guò)一塊電路控制板��(lái)��(jìn)行切換、定��。當(dāng)白天的光線充分時(shí),電路控制板��(qū)使切換器切換并定位到紅外截止濾光片工��,CCD或CMOS還原出真��(shí)色彩;��(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��(kāi)始工��,這時(shí),它能感��(yīng)紅外燈的紅外��,使CCD或CMOS充分利用到所有光��,從而大大提高了紅外攝像��(jī)的夜視性能,整��(gè)��(huà)面也就清晰自然了��
IRCUT雙濾光片技��(shù)的應(yīng)��,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��(shù)、認(rèn)��(shí)等多種因素,存在著各種各樣的��(wèn)��,并非所有工廠的IRCUT雙濾光片切換器的��(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��(jié)��(gòu)兩大方面��
濾光片的紅外線截止程度,透光��,和光整形效果均直接影響CCD、CMOS的圖像清晰度或色��。全金屬外殼的IRCUT雙濾光片切換��,不但耐高��,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(duì)成像芯片的影響,確保圖像品質(zhì)��(wěn)��。白天和夜晚要用不同的濾光片,那��,它的機(jī)械性能就非常重����
IRCUT雙濾光片切換器的��(qū)��(dòng)方式和機(jī)��(gòu)多種多樣,主要分電感線圈式和電機(jī)式兩��,它們各有千����
電感線圈式又分線圈運(yùn)��(dòng)或磁鐵運(yùn)��(dòng),以及直線運(yùn)��(dòng)或鐘擺運(yùn)��(dòng)��。線圈驅(qū)��(dòng)方式的體積小,造價(jià)��,但��(qū)��(dòng)力小,自鎖能力差,線圈運(yùn)��(dòng)的壽命很短,而磁鐵運(yùn)��(dòng)的壽命很��(zhǎng),鐘擺運(yùn)��(dòng)方式的相��(duì)自鎖能力較好,但不能��(qū)��(dòng)大尺寸濾光片的��
電機(jī)式又分齒輪齒條式、蝸輪蝸桿式和螺旋副式等。螺旋副式的��(jié)��(gòu)緊湊,動(dòng)力大,自鎖力��(qiáng),是一種較好的選擇��
��(jié)束語(yǔ)
很多人感��(jué)濾光片是��(wú)足輕重的東西,大部分的工廠一提到紅外效果的提��,都只往CCD或CMOS的硬件和軟件方面��(jìn)行優(yōu)化改��(jìn),或?qū)㈢R頭加以改��,或��(jìn)行紅外燈及電路板方面的優(yōu)化改��(jìn),而濾光片的作用,自然��(huì)在輕視之��。通過(guò)以上��(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��(shù)的介��,相信大家一定會(huì)重新��(rèn)��(shí)并重視它��