滤光片在摄像头中的原理

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时间:2018-07-17

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1、滤光片在摄像头中的原理一、光的特性光是由一种称为光子的基本粒子组成,具有粒子性与波动性,或称为波粒二象性。它的物理特性有直进性、反射、折射、干?h、衍射、偏振及光电效应等等。光又是能量的一种传播方式。光源之所以发出光,是因为光源中原子的运动,包括热运动、跃迁辐射、受激辐射三种,前者为生活中最常见的,如灯光和火焰,后者多应用于激光。在光的产生过程中,因为跃迁能级的不同,释放出不同频率的光子(爱因斯坦能量方程),即产生电磁波辐射,其波长范围为1nm(1nm=10-9m)至1mm(1mm=10-3m),根据波长不同,可以把光分成γ射线区、X射线区、紫外光区、可见光区、红

2、外光区、微波区、无线电波区等几个部分。按红外射线的波长范围,可粗略地分为近红外光谱(波段为780nm-2526nm)、中红外光谱(波段为2526nm-4000nm)和远红外光谱(波段为5000nm-14um),可见光通常指波长范围为:390nm-780nm的电磁波。但人眼实际可见范围是:312nm-1050nm。而可见光区不同频率的光会呈现不同的颜色,依次为红:605nm-700nm,橙:595-605,黄:580-595,绿:500-560,青:480nm-490nm,蓝:435nm-480nm,紫:400-435。白光为所有这些光谱的综合。如果用棱镜折射白光,

3、就能够观察到上述可见光光谱,我们将复色光(如白光)被色散系统(如棱镜)分类后,按波长的大小依次排到的图案称为光谱。光沿直线传播,也就是说,光是直线运动的,也不需要任何介质,但在其他物体的重力场的影响下,光的传播路径会发生偏折。光线遇另一介质反射的情况是指入射光返回原介质的情形,反射定律可按下列三原则来解释:入射线、反射线与法线在同一平面上。入射线与反射线在法线的两侧。入射角等于反射角:∠θi=∠θr光从不同密度的介质穿过时发生的偏折现象称为折射,不同介质可以出现不同的折射角,由该介质的折射率n=sim∠θ1?usim∠θ2来决定,并遵从斯涅尔定律:n1sim∠θ1

4、=n2sim∠θ2。物质吸收光子并激发出自由电子的行为称为光电效应,也就是一种光游离作用(光子将电子撞出原子,使之游离的过程)。正是由于光具有光电效应,科学家因此发明了光偶合成像技术,包括CCD:全称ChargeCoupledDevice即电荷耦合器件的缩写,它是一种特殊半导体器件,上面有很多一样的感光元件,每个感光元件叫一个像素;和CMOS:全称ComplementaryMetalOxideSemiconductor,即互补金属氧化物半导体。它们被广泛应用于数码照相机、DV、监控摄像机、电子显微镜等等。二、滤光片的作用1、镀膜和蓝玻璃的作用普通监控摄象机的光偶合

5、成象IC可感应到所有可见光区和部分红外光区。红外发射二级管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

6、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、红外光的成像为黑白图像,当我们将可见光所成图像调试好,也就是所谓图像聚焦和后焦调整,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650nm波长以上的光,能够满足一般

7、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。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,使强光所在

8、波长范围的

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