Роль оптических фильтров в формировании оптического изображения
2026-01-23
I. Характеристики света
Свет состоит из элементарных частиц, называемых фотонами, и обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами (корпускулярно-волновой дуализм). К его физическим характеристикам относятся прямолинейное распространение, отражение, преломление, дифракция, поляризация, фотоэффект и другие. Кроме того, свет является одним из способов передачи энергии.
Источник излучает свет вследствие движения атомов внутри него, включая три типа движения: тепловое движение, излучение при переходах и вынужденное излучение. Первое наиболее распространено в быту (например, свет ламп и пламени), последнее чаще всего применяется в лазерах. В процессе генерации света из-за различных энергетических уровней переходов высвобождаются фотоны разной частоты (уравнение энергии Эйнштейна), то есть возникает электромагнитное излучение. Диапазон его длин волн составляет от 1nm (1nm=10⁻⁹m) до 1mm (1mm=10⁻³m). В зависимости от длины волны свет можно разделить на гамма-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовую область, область видимого света, инфракрасную область, микроволновое излучение и область радиоволн. Инфракрасный спектр можно грубо разделить на ближний ИК-диапазон (780nm–2526nm), средний ИК-диапазон (2526nm–4000nm) и дальний ИК-диапазон (5000nm–14um). Видимый свет обычно относится к электромагнитным волнам в диапазоне 390nm–780nm. Однако фактический диапазон видимости человеческого глаза составляет 312nm–1050nm. Свет различной частоты в видимой области воспринимается как разные цвета: красный (605nm–700nm), оранжевый (595–605nm), желтый (580–595nm), зеленый (500–560nm), голубой (480nm–490nm), синий (435nm–480nm), фиолетовый (400–435nm). Белый свет является синтезом всех этих спектров. Если преломить белый свет призмой, можно наблюдать вышеупомянутый спектр видимого света. Узор, полученный после разложения сложного света (например, белого) дисперсионной системой (например, призмой) и упорядоченный по длине волны, называется спектром.
Свет распространяется по прямым линиям, то есть движется прямолинейно и не нуждается в какой-либо среде, однако под воздействием гравитационного поля других объектов путь распространения света может искривляться. Отражение света при встрече с другой средой — это ситуация, когда падающий свет возвращается в исходную среду. Закон отражения можно объяснить следующими тремя принципами:
1. Падающий луч, отраженный луч и нормаль лежат в одной плоскости.
2. Падающий луч и отраженный луч находятся по разные стороны от нормали.
3. Угол падения равен углу отражения: ∠θi=∠θr.
Явление отклонения света при прохождении через среды с разной плотностью называется преломлением. В разных средах возникают разные углы преломления, которые определяются показателем преломления среды n=sin∠θ1/sin∠θ2 и подчиняются закону Снеллиуса: n1sin∠θ1=n2sin∠θ2. Поглощение веществом фотонов с высвобождением свободных электронов называется фотоэффектом (процесс ионизации, при котором фотон выбивает электрон из атома). Именно благодаря фотоэффекту ученые изобрели технологии фотоэлектрического преобразования изображений, включая CCD (Charge Coupled Device — прибор с зарядовой связью) — специальный полупроводниковый прибор, содержащий множество одинаковых светочувствительных элементов (пикселей), и CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Они широко используются в цифровых фотоаппаратах, DV-камерах, камерах видеонаблюдения, электронных микроскопах и т.д.
II. Роль оптических фильтров
1. Роль напыления и синего стекла
Сенсоры изображений (светочувствительные микросхемы) обычных камер видеонаблюдения могут воспринимать весь видимый спектр и часть инфракрасного диапазона. Инфракрасные светодиоды изготавливаются из материалов с высокой эффективностью ИК-излучения (часто используется арсенид галлия) в виде PN-перехода, на который подается прямое смещение для инжекции тока и возбуждения ИК-света. Спектральное распределение мощности имеет центральную длину волны 830–950nm и ширину полосы на уровне половины максимума (FWHM) около 40nm. Это узкополосное распределение в ближнем ИК-диапазоне, которое воспринимается обычными матрицами CCD и CMOS. Это позволяет вести наблюдение в реальном времени как днем, так и ночью. Поскольку любой объект с температурой выше абсолютного нуля (-273℃) излучает инфракрасные лучи, днем CCD или CMOS сенсоры воспринимают одновременно и видимый свет, и инфракрасное излучение. Согласно принципам и законам преломления света: чем больше длина волны, тем меньше показатель преломления; чем короче длина волны, тем больше показатель преломления. Следовательно, когда эти лучи одновременно попадают в объектив камеры и преломляются линзами, видимый свет и инфракрасный свет фокусируются в разных плоскостях. Видимый свет формирует цветное изображение, а инфракрасный — черно-белое. Когда мы настраиваем фокус для видимого света (так называемая фокусировка и настройка заднего фокуса), инфракрасный свет формирует на этой плоскости мнимое (расфокусированное) изображение, что влияет на цветопередачу и качество картинки. Для решения этой проблемы используются методы напыления (покрытия) или синее стекло для фильтрации инфракрасного света, что позволяет восстановить реальные цвета объектов и устранить искажения.
Покрытия делятся на вакуумные и химические. Химическое покрытие наносится путем погружения кварцевой пластины в растворитель (гальванический метод); оно имеет низкую стоимость, но неравномерную толщину и легко отслаивается. Вакуумное покрытие наносится методом вакуумного испарения; оно имеет равномерную толщину и высокую прочность, но стоит дороже. Оба типа называют IR Coating (ИК-покрытие). IR Coating может отсекать свет с длиной волны более 650nm, что удовлетворяет требованиям обычных CCD-камер. Однако для CMOS-сенсоров различных брендов, спецификаций и моделей из-за проблемы ширины полосы пропускания ИК-излучения условия чувствительности к ИК-свету различаются. Поэтому необходимо наносить покрытия, соответствующие каждому конкретному продукту и отсекающие разные диапазоны длин волн для достижения наилучшего эффекта. Синее стекло фильтрует инфракрасный свет методом «поглощения», отсекая свет с длиной волны свыше 630nm, причем фильтрация происходит более тщательно. В то время как IR Coating использует метод «отражения» для удаления ИК-света, и отраженный свет может создавать помехи. Поэтому синее стекло часто является лучшим выбором. Иногда на практике возникает необходимость фильтрации сильного света, например, дальнего света автомобильных фар, который оказывает сильное влияние на CCD-сенсор камеры. Для получения четкого изображения объектов вокруг источника яркого света необходимо отфильтровать эту часть спектра. Мы можем изменить систему пленок покрытия, чтобы полностью отсечь свет в диапазоне длин волн сильного источника.
Кроме того, на фильтры наносится так называемое AR Coating (антибликовое/просветляющее покрытие) для увеличения коэффициента пропускания. Когда свет проходит через разные среды (например, из воздуха в кварцевую пластину), происходит частичное преломление и отражение. Одностороннее AR Coating повышает пропускание на 3–5%, а двустороннее позволяет достичь пропускания более 98% (в противном случае оно составляет менее 90%). Это оказывает огромное влияние на светочувствительность CCD или CMOS сенсоров. Иными словами, отсутствие AR Coating снижает чувствительность камеры, а использование двустороннего AR Coating делает изображение более четким. Кроме того, защита в виде AR Coating предотвращает запотевание фильтра.
2. Роль и выбор кристалла (OLPF)
Как известно, и CCD, и CMOS являются датчиками изображения, использующими кремниевые фотодиоды для преобразования света в электричество, и состоят из отдельных светочувствительных ячеек (пикселей). Требуется, чтобы свет падал на них прямо; косые лучи могут создавать помехи соседним ячейкам, вызывая цветовой сдвиг (появление ложных цветов/муар). Это требует коррекции светового потока. Мы используем физические свойства поляризации кристаллов (обычно кварцевых), чтобы сохранить прямую часть входящего света, а косые лучи отразить и преломить, предотвращая их воздействие на соседние точки. Однако косые лучи имеют разные углы падения, и одна пластина кристалла может обработать косые лучи только одного направления. Теоретически, чем больше слоев кристаллов с разной ориентацией наложено друг на друга, тем лучше устраняется цветовой сдвиг. Но с учетом практических потребностей и стоимости обычно используют от 1 до 3 пластин кристаллов для решения проблем цветового сдвига по горизонтали, вертикали и под углом 45°. Существуют так называемые «двухслойные» и «трехслойные» фильтры, где IR Coating или синее стекло используется для фильтрации ИК-света, а кристаллы — для коррекции хода лучей. На кристаллы также наносится AR Coating для увеличения пропускания.
Коррекция света кристаллом — это физический процесс. Толщина кристалла должна подбираться в соответствии со светочувствительными точками (пикселями) CCD-сенсора, которые различаются в зависимости от бренда, спецификации, модели, разрешения, а также системы (NTSC/PAL). Нельзя допускать ошибочных сочетаний. Например, трехслойный фильтр размером 8.8x8.2x3.07mm является лучшим выбором для HD-камеры на базе SONY 409 CCD, а фильтр 8.8x8.2x2.85mm разработан специально для SONY 405 CCD. Часто допускают ошибку, используя кристалл толщиной 1.08mm на матрице SONY 405 CCD и т.д.
3. Применение и недостатки одиночных фильтров
Одиночный фильтр при коррекции света и восстановлении реальных цветов изображения одновременно отсекает инфракрасное излучение. Поэтому ночью, при отсутствии видимого света, изображение получить невозможно, то есть отсутствует функция ночного видения. Для решения этой проблемы были разработаны и применены одиночные фильтры с двумя пиками пропускания (Dual-band). Такие камеры обладают функцией ночного видения. Однако такие одиночные фильтры, хоть и дешевы и могут пропускать как дневной, так и ночной (ИК) диапазоны, из-за открытых частотных диапазонов имеют недостатки. Днем, поскольку естественный свет содержит много ИК-излучения, его часть попадает на CCD или CMOS, искажая цветопередачу: например, зеленые растения становятся серовато-белыми, красная одежда — серо-зеленой (особенно заметно на улице при солнечном свете). Чтобы сбалансировать эффект днем и ночью, форма спектральной кривой фильтра не может быть идеальной: днем все равно присутствуют помехи от ИК-света, а ночью из-за фильтрации части света стеклом с двойным пиком сенсор не может использовать весь доступный свет, что приводит к появлению шума («снега») и снижает четкость изображения и чувствительность при низкой освещенности.
III. Технология двойного фильтра IR-CUT
Технология двойного фильтра, или переключатель IR-CUT (IR-CUT dual filter switcher), позволяет обычным камерам «день/ночь» использовать разные фильтры для ночного и дневного режимов работы, эффективно решая проблему, когда одиночный двухполосный фильтр не может обеспечить идеальное качество одновременно и днем, и ночью. Переключатель IR-CUT состоит из одного фильтра отсечки инфракрасного спектра (IR-Cut filter) и одного оптического стекла полного спектра (Full spectrum optical glass). Переключение и позиционирование осуществляются с помощью платы управления и механизма переключения. Когда дневного света достаточно, плата управления переключает устройство на фильтр отсечки ИК-излучения; CCD или CMOS восстанавливают реальные цвета. Когда видимого света недостаточно (ночью), фильтр отсечки ИК автоматически убирается, и начинает работать стекло полного спектра. В этом режиме сенсор может воспринимать инфракрасный свет от ИК-подсветки, позволяя CCD или CMOS полностью использовать весь доступный свет, что значительно улучшает характеристики ночного видения ИК-камеры и делает изображение четким и естественным.
Применение технологии двойного фильтра IR-CUT значительно улучшает качество изображения как днем, так и ночью. Однако в прошлом из-за различных факторов, таких как технологии и уровень понимания, переключатели IR-CUT имели разнообразные проблемы, и не все продукты IR-CUT на рынке были зрелыми и эффективными.
Многие считают фильтры незначительной деталью. На самом деле фильтры играют важную роль в оптических приборах и других отраслях. Большинство производителей, говоря об улучшении инфракрасного эффекта, сосредотачиваются только на оптимизации аппаратного и программного обеспечения CCD или CMOS, улучшении объективов или оптимизации ИК-ламп и печатных плат, при этом роль фильтров часто недооценивается. Надеемся, что благодаря приведенному выше системному анализу характеристик света и описанию роли фильтров, особенно технологии IR-CUT, все смогут переосмыслить их значение и уделить им должное внимание. Поскольку технология двойного фильтра является относительно новой, и автор знаком с ней не так давно, я надеюсь поделиться этим с коллегами, чтобы положить начало обсуждению. Ожидаю критики и исправлений от коллег и наставлений от экспертов, если где-то допущены неточности.
