IR CUT雙濾光片對(duì)視頻成像技術(shù)的影響
影像傳感器對(duì)成像效果起著至關(guān)重要的作用，像素越高，影像傳感器內(nèi)部集成的感光電極也越多，同時(shí)我們也應(yīng)該想到提升像素勢(shì)必要涉及到制造成本，每提高一個(gè)等級(jí)，數(shù)碼相機(jī)的價(jià)格都要高出一截，而且提升到一定程度后，CCD傳感器由于制造工藝的限制，短時(shí)間內(nèi)很難再有所突破。
目前主流的DSLR機(jī)型使用的CCD最多為600萬像素左右，即使現(xiàn)在索尼生產(chǎn)出了700萬、800萬像素的CCD，但想要將其安置在DSLR機(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實(shí)際。而CMOS傳感器卻高達(dá)1600萬像素以上。
CMOS的成像原理
CMOS可細(xì)分為被動(dòng)式像素傳感器(PassivePixelSensorCMOS)與主動(dòng)式像素傳感器(ActivePixelSensorCMOS)。它原本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料?？墒怯腥伺既婚g發(fā)現(xiàn)，將CMOS加工也可以作為數(shù)碼相機(jī)中的影像傳感器，緊跟著就由XirLink公司于1999年首次推向市場(chǎng)，2000年5月，美國Omnivision公司又推出了新一代的CMOS芯片。
CMOS最初曾被嘗試使用在數(shù)碼相機(jī)上，但與當(dāng)時(shí)如日中天的CCD相比信噪比差，敏感度不夠，所以沒能占居主流位置。當(dāng)然它也具備多種優(yōu)點(diǎn)，普通CCD必須使用3個(gè)以上的電源電壓，可是CMOS在單一電源下就可以運(yùn)作，與CCD產(chǎn)品相比同像素級(jí)耗電量小。另外CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造流水線，不需額外投資生產(chǎn)設(shè)備，并且品質(zhì)可隨半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步而提升，這點(diǎn)正是今年索尼IRCUT雙濾光片對(duì)視頻成像技術(shù)的影響文/彭中能夠在很短時(shí)間內(nèi)開發(fā)制造出CMOS芯片的原因。
從技術(shù)角度分析成像原理，核心結(jié)構(gòu)上每單位像素點(diǎn)由一個(gè)感光電極、一個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、一個(gè)信號(hào)傳輸晶體管，以及一個(gè)信號(hào)放大器所組成。理論上CMOS感受到的光線經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后使電極帶上負(fù)電和正電，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電信號(hào)(電流或者電勢(shì)差)被CMOS從一個(gè)一個(gè)像素當(dāng)中順次提取至外部的A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器上再被處理芯片記錄解讀成影像。
具體工作時(shí)先由水平傳輸部采集信號(hào)，再由垂直傳輸部送出全部信號(hào)，故CMOS傳感器可以在每個(gè)像素基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)放大，采用這種方法可進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)掃描，能夠勝任千萬像素級(jí)別的信息處理速率，單憑這點(diǎn)CCD就是望塵莫及的。
雖然CMOS當(dāng)時(shí)有許多缺點(diǎn)，但是這些年來已找到了切實(shí)可行的解決辦法，佳能算是CMOS領(lǐng)域中造詣最深的廠商，它在2001年對(duì)CMOS技術(shù)作出了革命性的變更設(shè)計(jì)，目前其他幾家技術(shù)都有佳能的技術(shù)影子。
a.偏面消除噪點(diǎn)技術(shù)。為了消除每個(gè)像素的漂移和噪點(diǎn)，原傳感器控制部分經(jīng)過重新的排線設(shè)計(jì)包含了一個(gè)增幅回路，它只吸收噪點(diǎn)信號(hào)而不處理光學(xué)信號(hào)，可以從光學(xué)信號(hào)中去除噪點(diǎn)部分令傳感器以很高的信噪比讀取信號(hào)。
b.全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)。由于每次讀取信號(hào)時(shí)，初始值都會(huì)變化，只依靠傳感器控制回路上的消除噪點(diǎn)技術(shù)無法完美地解決這個(gè)問題，通過引進(jìn)全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，即可維持光學(xué)信號(hào)和實(shí)現(xiàn)高信噪比處理。
c.傳感器模擬處理技術(shù)。傳感器控制電氣回路上集成一個(gè)PGA可編程增益轉(zhuǎn)換器，有效地降低了噪點(diǎn)，并加速了信號(hào)輸出能力，讓每秒約3張的高速連續(xù)拍攝成為可能。
CMOS發(fā)展的未來
從兩種類型的傳感器類型來看，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來得稍微容易些。生產(chǎn)流水線正是CCD制造的軟肋，隨著CCD尺寸的增加，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國際市場(chǎng)千顆售價(jià)高居不下的原因。基本上在CMOS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中出現(xiàn)的一幕---800萬像素還在使用500萬像素的2/3英寸框架這種啃老本的情況，故寬容度、信噪比等各方面都比小尺寸的CCD來的優(yōu)越，這也正是800萬像素CCD至今無法運(yùn)用到DSLR機(jī)身中的原因之一。
開發(fā)使用CMOS當(dāng)初只是佳能公司為了不受制于人的一個(gè)緩解之計(jì)，現(xiàn)在看來CMOS真的演繹了丑小鴨變白天鵝的神話?？v觀目前安防市場(chǎng)上網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)特別是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，絕大部分都是采用CMOS的機(jī)型，像素?cái)?shù)基本分為30萬、130萬、200萬及500萬象素。
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)。
濾光片的作用
鍍膜和藍(lán)玻璃的作用
紅外發(fā)射二級(jí)管---紅外燈是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，也就是說在白天，CCD或CMOS同時(shí)感應(yīng)到可見光和紅外光，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，可見光和紅外光就會(huì)在不同的靶面成象，而可見光的成像為彩色圖像、紅外光的成像為灰度圖像，當(dāng)我們將可見光所成圖像調(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能濾除特定波長(zhǎng)(如650nm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”的方式過濾紅外光，可過濾630nm波長(zhǎng)以上的光，并且過濾比較徹底;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，但藍(lán)玻璃不能單獨(dú)長(zhǎng)時(shí)間保存和使用，因?yàn)樵谇懈?、打磨拋光加工過程中，藍(lán)玻璃表面物理層被破壞，就會(huì)產(chǎn)生析晶(俗稱發(fā)霉)，因此，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度。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)光周圍物體清晰成像。我們可以改變膜系或材料，使強(qiáng)光所在波長(zhǎng)范圍的光全部濾除以達(dá)到目的，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的，還需要加上所謂的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，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，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)，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的保護(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，斜射進(jìn)來的光會(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，從理論上來說，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片水晶片來解決水平、垂直和45°角的色漂(偽彩)問題。也就有所謂“兩片式”、“三片式”濾光片，其中IRCoating膜或藍(lán)玻璃用來濾除紅外光，而水晶用來修整光線，在水晶片上還需ARCoating鍍膜，用來增加透光率。
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8.8×8.2×2.85mm的三層濾光片是專為SONY405CCD設(shè)計(jì)的，大家還常常將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實(shí)色彩的同時(shí)，將紅外線也濾除了。因此，在夜晚無可見光的情況下，就無法成像，也就沒有了夜視功能。為了解決這一問題，便開發(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使用，由于開放了波長(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，紅色圖畫變成淺紅色，黑色變成紫色等等(有陽光的室外環(huán)境尤其明顯)，而且為了綜合考慮白天和晚上的效果都不至于難以接受，濾光片的曲線圖就很難完全適應(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。
IRCUT雙濾光片技術(shù)
雙濾光片技術(shù)，在不同的地方，有不同的名稱，歐美稱之為IRCUT;中國臺(tái)灣地區(qū)稱之為ICR;中國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)生的問題。
IRCUT雙濾光片切換器由一個(gè)紅外截止低通濾光片、一個(gè)全光譜光學(xué)玻璃、動(dòng)力機(jī)構(gòu)以及外殼組成，它通過一塊電路控制板來進(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)夜間可見光不足時(shí)，紅外截止濾光片自動(dòng)移開，全光譜光學(xué)玻璃開始工作，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雙濾光片切換器過去由于技術(shù)、認(rèn)識(shí)等多種因素，存在著各種各樣的問題，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。IRCUT雙濾光片切換器的好與壞取決于濾光片和結(jié)構(gòu)兩大方面。
濾光片的紅外線截止程度，透光率，和光整形效果均直接影響CCD、CMOS的圖像清晰度或色彩。全金屬外殼的IRCUT雙濾光片切換器，不但耐高溫，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)穩(wěn)定。白天和夜晚要用不同的濾光片，那么，它的機(jī)械性能就非常重要。
IRCUT雙濾光片切換器的驅(qū)動(dòng)方式和機(jī)構(gòu)多種多樣，主要分電感線圈式和電機(jī)式兩種，它們各有千秋。
電感線圈式又分線圈運(yùn)動(dòng)或磁鐵運(yùn)動(dòng)，以及直線運(yùn)動(dòng)或鐘擺運(yùn)動(dòng)等。線圈驅(qū)動(dòng)方式的體積小，造價(jià)低，但驅(qū)動(dòng)力小，自鎖能力差，線圈運(yùn)動(dòng)的壽命很短，而磁鐵運(yùn)動(dòng)的壽命很長(zhǎng)，鐘擺運(yùn)動(dòng)方式的相對(duì)自鎖能力較好，但不能驅(qū)動(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。螺旋副式的結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)力大，自鎖力強(qiáng)，是一種較好的選擇。
結(jié)束語
很多人感覺濾光片是無足輕重的東西，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。