[科普中国]-光学低通滤波器

光电图像传感技术在各领域得到了大量的应用，其中光学低通滤波器技术倍受瞩目。由于 CCD 的像素是离散的根据奈奎斯特抽样定理 CCD 所能分辨的最高空间频率是它的空间采样频率的 1/ 2 即奈奎斯特极限频率。若图像的空间频率高于奈奎斯特极限频率在传感器上高频部分将被反射到基本频带造成图像周期频谱交叠即混频现象 致使成像质量降低。光学低通滤波器技术成为消除混频现象较有效的手段。它采用前置滤波降低光敏面上的频谱宽度 以减小混频。

简介光学低通滤波器大都是由两块或多块石英晶体薄板构成的，放在CCD传感器的前面。目标图象信息的光束经过OLPF后产生双折射（分为寻常光o光束和异常光e光束）。根据CCD像素尺寸的大小和总感光面积计算出抽样截止频率，同时也可计算出o光和e光分开的距离。改变入射光束将会形成差频的目标频率，达到减弱或消除低频干扰条纹的目的，特别是彩色CCD出现的伪彩色干扰条纹的目的。利用双折射晶体制作光学低通滤波器，通过前置滤波，能够有效地限制被采集图像在光敏面上的频谱宽度从而减小频谱混叠。1

工作原理光学低通滤波器利用的是石英晶体的双折射作用，把栅格状目标的一束透射光分成两束———寻常光和异常光，迭加后可微量改变透射光强的空间分布。在光强分布的计算中，通过消除有害干扰拍频的频率来确定该石英晶体的厚度。把透过光学低通滤波器的栅格状景物分布看作为空间光栅调制器， 这样就可初步解释OLPF在消图像干扰纹中的作用。

利用石英晶体的双折射特性，成像光束经过不同厚度的石英晶体薄板后，光轴约成 45°角。含有同一目标图像信息的光束被分成o1光 束和 e1 光束，形成微小错开的像，错开的距离满足消除一维拍频干扰分开的距离。经过第二片石英晶体薄板后，又将01 光束和e1光束分成为O01,e01光 束和 Oe1，ee1 光束。光束通过晶体滤波片后，原来的所包含有空间频率的目标光束会产生分离，使频率发生小量变化。分离的寻常光 和异常光光强会重新分布。2

结构设计1、一维滤波器

OLPF的基本原理是利用双折射晶体。当成像光束经过晶体后，带有同一目标图像的信息被分成O光与e光。单片双折射晶体构成了一个简单的一维滤波器，光点分开的距离决定滤波器的截至频率。选择合适的双折射晶体厚度可以制作具有不同截至频率的一维空间带通滤波器。

2、两片双折射晶体构成的二维滤波器

实际的光电图像传感器是二维阵列。光学低通滤波器如要在二维方向上具有滤波效果，则需要由2片或3片双折射晶体组成。2片式OLPF构成了一个二维的滤波器，其滤波效果是一维滤波器在二维的扩展。

3、三片双折射晶体构成的二维滤波器

3片式的OLPF是在2片光轴面相互垂直的双折射晶体的基础上加入了第三片双折射晶体，第三片晶体的光轴面和其余两片晶体光轴面成一个夹角。这样的设计当点光源入射时将会出现8个像点。为了表达式的简单，仅考虑其中两片光轴面有夹角的晶片的情况。根据双折射规律，点光源入射后将变成4个像点。第三片晶片没有影响第一个截至点的取值，而是改变了截至频率点后的幅频响应。与 单片品片的幅频响应相比较，对于超过截至频率的高频信号具有更好的衰减效果。3

光谱特性为了消除彩色干扰纹，除了要考虑光学低通滤 波器的频率特性以外，还应考虑它的光谱特性。由于CCD 传感器可以响应近红外光，会破坏图像的色还原，因此OLPF不仅因双折射功能而改变入射光的空间频率，而且还应该具有光谱选通特性。一种方法是在石英镜片的一个表面镀上红外截止膜；另 一种方法是在 OLPF 中间胶合一块红外截止滤光片。对三种不同的OLPF 样品进行了测试和比较。 通过测试和比较可以看出， OLPF 具有良好的红外截止功能。

滤光片功能滤除红外线彩色CCD也可感应红外线，就是因为会感应红外线，会导致D.S.P无法算出正确颜色，因此须加一片滤光片，把光线中红外线部份隔开，所以只有彩色CCD需要装滤光片，黑白就不用了。

为了实现过滤出红外线可用镀膜方式及蓝玻璃，镀膜分真空镀膜及化学镀膜方式，化学镀膜是将石英片浸入溶剂中加以电镀，成本低但镀膜厚度不平均且容易脱落，真空镀膜是用真空蒸镀法，镀膜均匀且不易脱落，但成本高。以上我们称IR Coating，目地在滤除红外线，另外还要加上所谓的AR-Coating 的镀膜，目地是增加透光率，因为光线在透过不同介质时（比如从空气进入石英片），会产生部分的折射及反射，加上AR-Coating 后，滤光片可达到98-99%的穿透率，否则只有90-95的穿透率,这对CCD的感光度当然有影响。

另外是用蓝玻璃，蓝玻璃是用”吸收”的方式过滤红外线，而IR-Coating是用反射的方式滤掉红外线，但反射光容易造成干扰，如果只考虑滤除红外线，蓝玻璃是比较好的选择 . 但上文说玻璃无法修整光线，因此就有一片蓝玻璃加一片石英片的所谓”两片式”滤光片.其中蓝玻璃用来滤红外线，而石英片修整光线用，因此石英片上只需做AR-Coating就行了。

修整进光因为CCD上是一颗颗的感光体(CELL)构成，最好光线是直射进来，但为了怕干扰到邻近感光体，就需要对光线加以修整，因此那片滤光片不是玻璃，而是石英片，利用石英的物理偏光特性，把进来的光线，保留直射部份，反射掉斜射部份，避免去影响旁边的感光点。但只能对一个方向修整，通常摄像机只考虑到水平分辨率，因此只对光线做水平修整，因此在贴滤光片时方向要对，不可弄反了。若修整垂直光线，就黏两片，把其中一片转90度，因此就有这种也叫”两片式”的滤光片，一片用在水平修整，一片用在垂直修整，其中一片再做IR-Coating 来滤红外线。

注意事项石英片整光效果是物理方式的，要配合CCD上感光点而变，因此理论上不同CCD厂牌及不同画素还有N制P制，石英片厚度都不同。

石英片黏贴方式：

（1）直接就夹在遮光片上，再锁在CCD上，好处是方便，须注意防尘；

（2）用UV胶黏，在照紫外线灯，优点是稳固，但须在无尘室或无尘箱中操作；

（3）用双面胶带，一黏就好了，这个最方便又省钱，但常常一段时间后就掉下来了，尤其是被太阳晒久了。

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学