IR CUT双滤光片对视频成像技术的影响

　　影像传感器对成像效果起着至关重要的作用，像素越高，影像传感器内部集成的感光电极也越多，同时我们也应该想到提升像素势必要涉及到制造成本，每提高一个等级，数码相机的价格都要高出一截，而且提升到一定程度后，CCD传感器由于制造工艺的限制，短时间内很难再有所突破。

　　目前主流的DSLR机型使用的CCD最多为600万像素左右，即使现在索尼生产出了700万、800万像素的CCD，但想要将其安置在DSLR机身内的话，最终效果只能是与预期效果背道而驰不合实际。而CMOS传感器却高达1600万像素以上。

　　CMOS的成像原理

　　CMOS可细分为被动式像素传感器(PassivePixelSensorCMOS)与主动式像素传感器(ActivePixelSensorCMOS)。它原本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。可是有人偶然间发现，将CMOS加工也可以作为数码相机中的影像传感器，紧跟着就由XirLink公司于1999年首次推向市场，2000年5月，美国Omnivision公司又推出了新一代的CMOS芯片。

　　CMOS最初曾被尝试使用在数码相机上，但与当时如日中天的CCD相比信噪比差，敏感度不够，所以没能占居主流位置。当然它也具备多种优点，普通CCD必须使用3个以上的电源电压，可是CMOS在单一电源下就可以运作，与CCD产品相比同像素级耗电量小。另外CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体制造流水线，不需额外投资生产设备，并且品质可随半导体技术的进步而提升，这点正是今年索尼IRCUT双滤光片对视频成像技术的影响文/彭中能够在很短时间内开发制造出CMOS芯片的原因。

　　从技术角度分析成像原理，核心结构上每单位像素点由一个感光电极、一个电信号转换单元、一个信号传输晶体管，以及一个信号放大器所组成。理论上CMOS感受到的光线经光电转换后使电极带上负电和正电，这两个互补效应所产生的电信号(电流或者电势差)被CMOS从一个一个像素当中顺次提取至外部的A/D(模/数)转换器上再被处理芯片记录解读成影像。

　　具体工作时先由水平传输部采集信号，再由垂直传输部送出全部信号，故CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可进行快速的数据扫描，能够胜任千万像素级别的信息处理速率，单凭这点CCD就是望尘莫及的。

　　虽然CMOS当时有许多缺点，但是这些年来已找到了切实可行的解决办法，佳能算是CMOS领域中造诣最深的厂商，它在2001年对CMOS技术作出了革命性的变更设计，目前其他几家技术都有佳能的技术影子。

　　a．偏面消除噪点技术。为了消除每个像素的漂移和噪点，原传感器控制部分经过重新的排线设计包含了一个增幅回路，它只吸收噪点信号而不处理光学信号，可以从光学信号中去除噪点部分令传感器以很高的信噪比读取信号。

　　b．全像素电荷转移技术。由于每次读取信号时，初始值都会变化，只依靠传感器控制回路上的消除噪点技术无法完美地解决这个问题，通过引进全像素电荷转移技术，即可维持光学信号和实现高信噪比处理。

　　c．传感器模拟处理技术。传感器控制电气回路上集成一个PGA可编程增益转换器，有效地降低了噪点，并加速了信号输出能力，让每秒约3张的高速连续拍摄成为可能。

　　CMOS发展的未来

　　从两种类型的传感器类型来看，CMOS在不改造制造流水线的情况下就能克服高像素制造工艺的困难，而且像素的提升也要比CCD来得稍微容易些。生产流水线正是CCD制造的软肋，随着CCD尺寸的增加，其生产线也往往要做相应的调整，因此这也是高像素CCD国际市场千颗售价高居不下的原因。基本上在CMOS方面像素数的提升与影响传感器尺寸的增加是相辅相成的，不至于出现此时CCD中出现的一幕——800万像素还在使用500万像素的2/3英寸框架这种啃老本的情况，故宽容度、信噪比等各方面都比小尺寸的CCD来的优越，这也正是800万像素CCD至今无法运用到DSLR机身中的原因之一。

　　开发使用CMOS当初只是佳能公司为了不受制于人的一个缓解之计，现在看来CMOS真的演绎了丑小鸭变白天鹅的神话。纵观目前安防市场上网络摄像机特别是高清网络摄像机，绝大部分都是采用CMOS的机型，像素数基本分为30万、130万、200万及500万象素。

　　由于CMOS品质的不断提升，生产成本的大幅度下降，CMOS已经占了半壁江山，更有取代CCD之势。

　　滤光片的作用

　　镀膜和蓝玻璃的作用

　　红外发射二级管——红外灯是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、红外光的成像为灰度图像，当我们将可见光所成图像调试好，也就是所谓镜头后焦调整和聚焦，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能滤除特定波长（如650nm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，但蓝玻璃不能单独长时间保存和使用，因为在切割、打磨抛光加工过程中，蓝玻璃表面物理层被破坏，就会产生析晶(俗称发霉)，因此，我们一般常用两片水晶夹一片蓝玻璃，这样，既解决了蓝玻璃析晶，又提高了图像的清晰度。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。我们可以改变膜系或材料，使强光所在波长范围的光全部滤除以达到目的，这就是黑玻璃。黑玻璃有透红外的，也有透紫外的。

　　另外，滤光片并不是完全透光的，还需要加上所谓的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，ARCoating具有抗反射之功能，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，ARCoating具有抗氧化之功能和有增加保护膜之功能，滤光片有ARCoating的保护也就不容易起雾了。

　　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多，解决色漂（伪彩）的效果就越好。但考虑到实际需求和成本，一般都只用1到3片水晶片来解决水平、垂直和45°角的色漂（伪彩）问题。也就有所谓“两片式”、“三片式”滤光片，其中IRCoating膜或蓝玻璃用来滤除红外光，而水晶用来修整光线，在水晶片上还需ARCoating镀膜，用来增加透光率。

　　水晶修整光线是物理方式的，而不同CCD的品牌、规格、型号及不同像素还有N制、P制的不同，水晶的厚度都要配合CCD上感光点而变化，不能错误搭配使用。例如8.8×8.2×2.85mm的三层滤光片是专为SONY405CCD设计的，大家还常常将1.08mm的水晶错误地用在SONY405CCD上等。

　　单滤光片的应用和不足

　　滤光片在修整光线和还原图像真实色彩的同时，将红外线也滤除了。因此，在夜晚无可见光的情况下，就无法成像，也就没有了夜视功能。为了解决这一问题，便开发出双峰值高的单滤光片并加以运用，这种摄像机就有了夜视功能。但这种单滤光片，虽然成本低廉，又能兼顾白天与晚上的使用，由于开放了波长频率，从而在白天，由于自然界的光线中含有较多的红外光，其中一部分也能进入CCD或CMOS并干扰图像色彩还原，例如绿色植物变得灰白，红色图画变成浅红色，黑色变成紫色等等（有阳光的室外环境尤其明显），而且为了综合考虑白天和晚上的效果都不至于难以接受，滤光片的曲线图就很难完全适应，在白天任然有一些红外光干扰图像色彩还原；在晚上由于双峰玻璃片的过滤作用，使CCD或CMOS不能充分利用所有光线从而产生雪花点现象，并降低红外摄像机的图像清晰度和低照性能。

　　IRCUT双滤光片技术

　　双滤光片技术，在不同的地方，有不同的名称，欧美称之为IRCUT；中国台湾地区称之为ICR；中国大陆称之为双滤光片切换器。

　　IRCUT双滤光片切换器能让普通日夜型摄像机在晚上和白天分别使用不同的滤光片工作，因而能有效解决双峰单滤光片日夜不能兼顾而产生的问题。

　　IRCUT双滤光片切换器由一个红外截止低通滤光片、一个全光谱光学玻璃、动力机构以及外壳组成，它通过一块电路控制板来进行切换、定位。当白天的光线充分时，电路控制板驱使切换器切换并定位到红外截止滤光片工作，CCD或CMOS还原出真实色彩；当夜间可见光不足时，红外截止滤光片自动移开，全光谱光学玻璃开始工作，这时，它能感应红外灯的红外光，使CCD或CMOS充分利用到所有光线，从而大大提高了红外摄像机的夜视性能，整个画面也就清晰自然了。

　　IRCUT双滤光片技术的应用，不论对于晚上还是白天的效果，都有极大的改善，但IRCUT双滤光片切换器过去由于技术、认识等多种因素，存在着各种各样的问题，并非所有工厂的IRCUT双滤光片切换器的产品都成熟而有效。IRCUT双滤光片切换器的好与坏取决于滤光片和结构两大方面。

　　滤光片的红外线截止程度，透光率，和光整形效果均直接影响CCD、CMOS的图像清晰度或色彩。全金属外壳的IRCUT双滤光片切换器，不但耐高温，不变形，并能承载更大更重的镜头，还能更好地传递热量，降低温度对成像芯片的影响，确保图像品质稳定。白天和夜晚要用不同的滤光片，那么，它的机械性能就非常重要。

　　IRCUT双滤光片切换器的驱动方式和机构多种多样，主要分电感线圈式和电机式两种，它们各有千秋。

　　电感线圈式又分线圈运动或磁铁运动，以及直线运动或钟摆运动等。线圈驱动方式的体积小，造价低，但驱动力小，自锁能力差，线圈运动的寿命很短，而磁铁运动的寿命很长，钟摆运动方式的相对自锁能力较好，但不能驱动大尺寸滤光片的。

　　电机式又分齿轮齿条式、蜗轮蜗杆式和螺旋副式等。螺旋副式的结构紧凑，动力大，自锁力强，是一种较好的选择。

　　结束语

　　很多人感觉滤光片是无足轻重的东西，大部分的工厂一提到红外效果的提升，都只往CCD或CMOS的硬件和软件方面进行优化改进，或将镜头加以改善，或进行红外灯及电路板方面的优化改进，而滤光片的作用，自然会在轻视之列。通过以上对光的特性的系统分析，以及滤光片的作用特别是IRCUT双滤光片技术的介绍，相信大家一定会重新认识并重视它。由于双滤光片技术为新兴技术，笔者接触它的时间也不长，希望能与各方同行朋友共同分享，意在抛砖引玉，不正确的地方，期待各位同行的批评、指正，希望行家多多指教。

　　作者单位：深圳市圣普豪威科技有限公司

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