CCD上的滤光片
CCD第五章
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CCD工作方式二
图左：阶段一，CCD 接受光线的照射产生电荷 / 图右：阶段二，外加电压将CCD 所 『产生』的电荷移往缓冲区 图左：阶段三，电荷转换成电压，电压经 ADC 判读数字讯号 / 图右：阶段四，依顺序 将讯号移往缓冲区组合
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CCD的工作原理
• CCD的结构就象一排排输送带上并排放满了小桶，光线就象雨滴撒入各个小桶， 每个小桶就是一个像素。按下快门拍照的过程，就是按一定的顺序测量一下 某一短暂的时间间隔中，小桶中落进了多少“光滴”，并记在文件中。一般 的CCD每原色的光度用8位来记录，即其小桶上的刻度有8格，也有的是10位 甚至12位，10位或12位的CCD在记录色彩时可以更精确，尤其是在光线比较 暗时。早期的CCD是隔行扫描的，同一时刻，每两行小桶，只有一行被测量， 这样可以提高快门速度，但图像精度大为降低。 随着技术的进步，人们已能 让CCD记录在几十分之一秒，甚至几千分之一秒的时间里，落进各个“小桶” 的“光滴”的量，所以，新的CCD一般都是逐行扫描的。
CCD ISO 感光能力—定义
• 使用 CCD 作为感光组件，无法像传统相机 一样选择底片来换成较高（ISO 1600）或较 低（ISO 50）的感光能力。新技术的进步， 让 CCD可以拥有美高感度底片之 ISO 1600 的感光能力。
CCD ISO 感光能力—提高途径
• CCD 提高 ISO 的能力通常分为硬体和软件处 理上的设计，例如：简化来自特定区域 CCD 上的画素信号来提高 ISO 表现（因为CCD无 法在物理上增大感光面积，只好联合矩阵 在处理上『仿真』大感光面积的方式，所 以ISO 越高就必须相对的降低分辨率 - 见下 图），但这也相对的降低了影像的色调范 围。而软件处理则是根据数据运算，取得 合理的曝光表现，但通常也会伴随着噪声 的产生。
滤光片的知识(实用)
各位有没有想过，到底CCD上那片玻璃片是干嘛用的?那片滤光片，正确名称叫“光学低通滤波器”（OLPF）！啊！不就是片破玻璃片嘛！且听我道来：滤光片的功用：1．滤除红外线。
2．修整进来的光线滤除红外线：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。
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。
了解了基本功能，再谈谈怎样做到。
1．滤除红外线：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。
2．修整光线：上文说到，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，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。
摄像机CCD知识
摄像机CCD和DSP知识既然要说，就得先搞懂摄像机结构。
如上图，摄像机里面每一块就是一颗晶片，全部合起来就是一个”方案”，先解释各晶片的功能：CCD(Charge Coupled Device)：就像是人的眼睛，把光影像转成电子讯号，靠的就是上面的感光点，每一点就像一颗太阳能电池，被光照到后会产生电能，依照光的强度不同，会产生不同大小的电能。
V-Driver：CCD里面每一点被光照到产生电能，那如何取出来？就是靠这颗V-DRIVER，它会产生不同的脉冲波，把CCD每点的“挤”出来。
CDS/AGC(Correlated Double Sampling/Automatic Gain Control)： CCD挤出来的讯号，在这颗晶片内做”修整”，送进D.S.P。
在以上各阶段，记住!全都是模拟讯号。
D.S.P(Digital Signal Processor)：重头戏来了，D.S.P 是 Digital Signal Processor 的缩写，也就是数字讯号处理器，前面说了CDS/AGC出来的是模拟讯号，因此DSP里头包了一颗Decoder (A/D Converter，模拟数字转换器)，先把模拟转成数字，再做一大堆的运算(颜色，亮度，白平衡……)，然后再把数字转成模拟(Encoder，也就是包在DSP里面)，就是视频输出了。
挺复杂，我们所谓的方案就是针对那颗DSP来说的)。
T.G：即Timing Gen，这是控制整个处理过程的快慢用的，现在一般看不到了，都包在DSP内了。
一、摄像机CCD的分类安全防范系统中，图像的生成当前主要是来自CCD摄像机,CCD是电荷耦合器件（charge coupled deice）的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像机元件，以其构成的CCD摄像机具有体积小、重量轻、部受磁场影响、具有抗震东和撞击之特性而被广泛应用。
摄像机基础
宽动态（Wide Dynamic Range）
物理宽动态的优缺点：
优点：动态范围宽，能同时兼顾亮区和暗区。 缺点：Sensor成本高、合成区域有噪声、有运动鬼影、工频干 扰更严重、颜色轻微偏。
数字宽动态的优缺点：
优点：对Sensor没有要求、没有运动鬼影、工频干扰不明显。 缺点：动态范围窄、亮区过曝无法抑制、噪声比较大。
卷帘快门与全局快门的区别
global shutter
所有像元同时曝光。
rolling shutter
不同行像元的曝光时间不同。
卷帘快门与全局快门的优缺点
Global shutter
优点：曝光时间更短 缺点：增加读出噪声 Rolling shutter
优点：可以达到更高的帧率，更低的噪声
缺点：当曝光不当或者物体移动较快时，会出现部分曝光，斜 坡图形等现象
进光量会因遮挡受到影响。所谓背照式CMOS就是将它掉转方 向，让光线首先进入感光二极管，从而增大感光量，显著提高 低光照条件下的拍摄效果。
NIR
传统近红外传感器在850nm波长处的量子效率（QE）为20%，
在940nm为8%。具有NIR功能的Sensor，通过新型的架构设计 和工艺，使得QE在近红外波段得到大幅提升。
变焦镜头，AI镜头，在AZ镜头上多 了一个电机控制光圈开关
CS
定焦：4mm,12mm…… 变焦：2.8-12mm……
定焦CS镜头，通常用在拼接摄像机 中； 变焦CS镜头，通常用在枪机上，镜 头由客户自行采购；
安防镜头的分类
CS/C型镜头
清晰 度 焦距 镜头F 值 定焦镜头 成像靶 面
支持IR功 能
变焦镜头（DC Iris）
CS型安装座摄像机上使用C型镜头的话，需要加一个高度为5mm 的转换接圈 10
滤光片
什么是OLPF光学低通滤光片OLPF 全名是Optical lowpass filter,即光学低通滤光片，主要工作用来过滤输入光线中不同频率波长光讯号，以传送至CCD，并且避免不同频率讯号干扰到CCD对色彩的判读。
OLPF对于假色（false colors）的控制上有显著的影响，假色的产生主要来自于密接条纹、栅栏或是同心圆等主体影像，色彩相近却不相同，当光线穿过镜头抵达CCD时，由于分色马赛克滤光片仅能分辨25%的红与蓝色以及50%的绿色，再经由色彩处理引擎运用数据差值运算整合为完整的影像。
因为先天上色彩资料短缺，CCD根本无法判断密接条纹相邻色彩的参数，终于导致引擎判断错误输出错误的颜色。
由于细条纹的方向不同，需用相对应角度的光学低通滤波晶片加以消除，又因为不同型号的CCD摄像机与CMOS图象传感器在规格上有些差异，为针对不同的型号及同时兼顾不同方向所产生的干扰杂音，需用不同厚度、片数、角度组合的OLPF的设计，以提高取象品质。
IR-CUT双滤光片切换的作用IR-CUT双滤光片的使用可以有效解决双峰滤光片产生问题。
IR-CUT双滤光片由一个红外截止滤光片和一个全光谱光学玻璃构成，当白天的光线充分时红外截止滤光片工作，CCD还原出真实彩色，当夜间光线不足时，红外截止滤光片自动移开，全光谱光学玻璃开始工作，使CCD充分利用到所有光线，从而大大提高了低照性能。
IR CUT双滤光片专为CCD摄影机修正偏色、失焦的问题，促使撷取影像画面不失焦、不偏色,红外夜视更通透，解决红外一体机，日夜图像偏色影响，能够过滤强光让画面色彩纯美更柔和、达到人眼视觉色彩一致。
普通日夜型摄象机使用能透过一定比例红外光线的双峰滤片，其优点是成本低廉，但由于自然光线中含有较多的红外成份，当其进入CCD后会干扰色彩还原，比如绿色植物变得灰白，红色衣服变成灰绿色等等（有阳光室外环境尤其明显）。
在夜间由于双峰滤光片的过滤作用，使CCD不能充分利用所有光线，其低照性能难以令人满意。
滤光片工作原理
滤光片工作原理:滤光片是塑料或玻璃片再加入特种染料做成的，红色滤光片只能让红光通过，如此类推。
玻璃片的折射率原本与空气差不多，所有色光都可以通过，所以是透明的，但是染了染料后，分子结构变化，折射率也发生变化，对某些色光的通过就有变化了。
比如一束白光通过蓝色滤光片，射出的是一束蓝光，而绿光、红光极少，大多数被滤光片吸收了。
滤光片用于滤去某一波长范围内的光，起单色器的作用，但它不可能得到单色光。
滤光片的作用很大。
广泛用于摄影界。
一些摄影大师拍摄的风景画，为什么主景总是那么突出，是怎样做到的?这就用到了滤光片。
比如你想用相机起拍一朵黄花，背景是蓝天、绿叶，如果按照平常拍，就不能突出“黄花”这个主题，因为黄花的形象不够突出。
但是，如果在镜头前放一个黄色滤光片，阻挡一部分绿叶发出的绿光、蓝天发出的蓝光，而让黄花发出的黄光大量通过，这样，黄花就显得十分明显了，突出了“黄花”这个主滤光片的功用:1.滤除红外线. 2.修整进来的光线滤除红外线:彩色CC D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.修整进光:因为C CD上是一颗颗的感光体(CEL L)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.1滤除红外线: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IRCoati ng ,目地在滤除红外线,另外还要加上所谓的A R-Coa ting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-Coati ng 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CC D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-Coat ing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-Coat ing就行了. 2.修整光线:上文说到, 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,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.那如果垂直光线也要修整的话怎办?很简单,就黏两片,把其中一片转90度就行了,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-Co ating来滤红外线.。
(参考资料)3-2光学薄膜系统设计
在整个透射带，透过率在两个极值之间振荡：
R1
0－g 0 +g
2
膜厚4的偶数倍，
膜层变为虚设层
R2
0－E2 0 + E2
g g
2
膜厚4的奇数倍
产生波纹的原因： 1）等效光学导纳失配(波纹的幅度)(R1-R20)； 2）等效位相厚度随波长变化。
压缩波纹的方法
R1
0－g 0 +g
2
,
R2
通常波纹幅度大小是由等效折射率与基片和入射介质的匹配程度决定的而波纹的密度是由周期数多少决定的因为周期数多那么这个等效层的厚度就大高级次干涉峰就会靠的很近波纹就密
§2.4 干涉截止虑光片
1）什么叫干涉截止滤光片：利用多光束干涉原理，让某一 波长范围的光束高透，而让偏离这一波长区域的光束变为 高反的光学膜片。
主要参数： 中心波长（峰值波长）； 中心波长处的透过率； 通带宽度：透射率降为峰值透过率一半的波长宽度。
两种典型结构： 1）由一长波通膜系和一短波通膜系的重叠带波段形成的通 带。其特点为较宽的截止带和较深的截止度，但不易得到窄 的通带宽度。 2）Fabry-perot（F-P）干涉仪式的滤光膜系。其特点为可得 到很窄的通带宽度，但截止带也较窄，截止度也浅。
2 2 arcsin(1 R )
0 m
2R
中心波长的峰值透射率：
Tmax
T1T2 (1 R)2
当反射膜没有吸收、散射损失，而且反射膜是完全对称时， 滤光片的透射率和光洁基板一样高。
当反射膜有吸收、散射损失时，假定反射膜是完全对称时，
Tmax
T12 (1 R12 )2
(T12
T122 A12 )2
12
ICR滤光片切换原理
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。
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监控摄像机中的CCD上的滤光片,正确名称叫”光学低通滤波器”
滤光片有两大功用:
1.滤除红外线.
2.修整进来的光线
滤除红外线:
彩色监控摄像机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.
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.
那么滤光片是怎么做到这些的呢？我们不防来看看
1滤除红外线:
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-Coatin就行了.
2.修整光线:
上文说到, 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,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.那如果垂直光线也要修整的话怎办?很简单,就黏两片,把其中一片转90度就行了,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.
那更高级的呢?就是两片石英中间夹片蓝玻璃,那就各项优点就有了,这种”三片式常见于日本进口机.
l 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,
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,再照紫外线灯,优点是稳固,但须在无尘室或无尘箱中弄,如果不管那么多就硬干了。
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。
如何选用和订购滤光片
在选用滤光片之前必须对滤光片的分类有基本的了解。
滤光片产品主要按光谱波段、光谱特性、应用特点等方式分类。
光谱波段：紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片；（如对光谱不清楚，可以参考光谱图如下：）
光谱特性：带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片；
其中带通型即选定波段的光通过，通带以外的光截止。
比如我们的红外带通滤光片。
短波通型即短于选定波长的光通过，长于该波长的光截止。
比如我们的红外截止滤光片。
长波通型即长于选定波长的光通过，短于该波长的光截止。
比如我们的红外滤光片，IPL滤光片
使用红外截止滤光片和透红外滤光片拍摄的不同效果对比
红外截止滤光片即允许可见光透过而截止或反射红外光的光学滤光片。
其功能是防止CCD影像传感器由于像素间隔而产生的伪色和波纹，改善红外线对CCD成像的影响。
红外线截止滤光片通常被使用在保护需避免热伤害的光学系统中，藉由反射红外光，也将热能反射回光源方向。
红外线截止滤光片对数位相机镜头的CCD,CMOS感测器非常重要，因为这些感测器通常对红外光过份敏感，会造成侦测的影像色偏或出现人眼看不到的影像。
因此它可校正影像感测器比较接近人眼的状态。
带通滤光片是一种可以让特定波长的光通过而让其他波段的光反射（或衰减）的光学元件。
带通滤光片的工作区域可以是紫外光波段，可见光波段，近红外光波段，远红外光波段，依您的应用范围而定。
和一般通过截止滤光片，或彩色滤光片相比，带通滤光片设计及制作上都较困难，主要原因是，因为光谱波峰两端的位置都需要比较精确的控制。
而控制两点的位置当然比一点的困难度高多了。
带通滤光片是一种带宽比较窄，短波和长波有明显截止的玻璃，它光谱特性由透射比的最大值(TM)及其波长(λM)位置，短波截止波长，长波截止波长和半宽度来表示。
最大透射比的一半所对应的波长λ1和λ2之差(λ1-λ1)nm称为半宽度FWHM。
防水防尘膜使水、尘等脏污与镜片的接触面积变小呈110度角，与使其不易粘附于镜片表面，所以滤光片表面会更加光洁，增加了防水、防雾、防尘、防指纹等防污染的功能。
可广泛用于摄相机摄影机镜头上，电子数码产品的窗口片，触摸屏等视窗产品上起防尘片等光学产品。
通常防水防尘膜与增透膜一起使用在视窗产品上，还可以起到增加镜片表面的硬度，同时也可以起到防止划伤的作用。
这里防刮伤并不是100%的防刮伤，这里是指常规的微小的刮擦，对窗口起到保护的作用。
此种镀膜还可以与反光膜一起用在车用后视镜产品。
当水落在滤光片表面上时尤如水落到了荷叶上可迅速滑落，可使光学窗口保持清晰的视野。