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一、光學低通濾波器的作用

由于CCD是一種離散像素的光電成像器件，根據(jù)奈奎斯特定理，一個圖像傳感器能夠分辨的最高空間頻率等于它的空間采樣頻率的一半，這個頻率就稱為奈奎斯特極限頻率。在用CCD攝像機獲取目標圖像信息時，當抽樣圖像超過系統(tǒng)的奈奎斯特極限頻率時，在圖像傳感器上，高頻成分將被反射到基本頻帶中，造成所謂的紋波效應或莫爾效應，使圖像產(chǎn)生周期頻譜交迭混淆或稱為拍頻現(xiàn)象。假設CCD的抽樣頻率為15MHz，在圖像信號為10MHz時，混疊頻率分量為15MHz-10MHz=5MHz；在圖像信號為9MHz處，混疊頻率分量為15MHz-9MHz=6MHz。這兩項混疊頻率分量經(jīng)電路低通濾波后都是無法濾掉的，并與有用圖像信號一樣被輸岀，如在所觀測的波形中在9MHz和10MHz頻帶處疊加的5MHz和6MHz信號成分。在7MHz信號上有明顯的低頻差拍存在，差拍頻率約1MHz。這些混疊的信號將影響圖像清晰度，甚至出現(xiàn)彩色條紋干擾。由于CCD離散像素受到采樣頻率的限制，以及由于芯片總的感光面積較小而受到二維孔徑光闌的影響，所以又產(chǎn)生了一些新的頻譜問題，它直接影響CCD攝像機的成像清晰度和分辨能力。
CCD圖像傳感器在垂直和水平方向傳輸光學信息都是離散的取樣方式，這是因為它的光敏單元在水平方向也是離散的。根據(jù)取樣定理可知，CCD輸出信號的頻譜如圖1所示。


圖1 取樣脈沖寬度對取樣信號頻譜的影響

取樣后的信號頻譜分布和幅度變化為
式中，τs為取樣脈沖寬度，即一個感光單元的寬度；Ts為取樣周期，即一個像素的寬度（含兩側的不感光部分）。
當n=Ts/Ts時，譜線包絡達到第一個零點，這是孔徑光闌效應的表現(xiàn)。若高頻信號幅度下降，可適當選擇Ts，使在fs/2處的頻譜幅度下降得小一些，使頻譜混疊（見圖中的陰影部分）部分減小。Ts越小，頻譜幅度下降越緩慢，混疊部分增大。Ts增大，頻譜幅度下降加快，頻譜混疊部分減小。由此可見，在CCD中感光單元的寬度和像素寬度有個最佳比例，即像素的尺寸和像素的密度，以及像素的數(shù)量都是決定CCD分辨率的主要因素。在圖像上反映出來的頻譜混疊會引起低頻干擾條紋，它對CCD攝像機所拍攝的圖像水平方向的清晰度有很大影響。因此，必須采用予處理前置濾波技術，降低CCD光敏面上光學圖像的頻帶寬度，以減少頻譜混淆，即采用光學低通濾波器。
光學低通濾波器(Optical Low Pass Filter，OLPF)實際是一低通濾波的石英作的晶片。自從1988年日本富士公司與東芝公司合作推出第一臺數(shù)位靜態(tài)相機(Digital Still Camera，DSC)起，才將OLPF帶入這發(fā)展迅速的數(shù)位世界中。這樣，從數(shù)碼相機(DSC)、數(shù)位攝像機(DVC)到影像電話(Video Phone)，以及行動電話等，所有和影像有關的產(chǎn)品都要使用OLPF來消除上述的雜訊干擾。
由于CCD等固體圖像傳感器讀取影像均采用這種非連續(xù)性取像方式，所以在拍攝細條紋(高頻)時肯定會產(chǎn)生不必要的噪聲。由于細條紋的方向不同，需用相對應角度的光學低通濾波晶片加以消除，又因為不同型號的CCD與CMOS圖像傳感器在規(guī)格上有些差異，為針對不同的型號，以及同時兼顧不同方向所產(chǎn)生的噪聲，需用不同厚度、片數(shù)、角度組合的OLPF的設計，以提高取像品質。

二、光學低通濾波器的工作原理

光學低通濾波器大都是由兩塊或多塊石英晶體薄板構成的，放在CCD傳感器的前面。目標圖像信息的光束經(jīng)過OLPF后產(chǎn)生雙折射(分為尋常光o光束和異常光e光束)。根據(jù)CCD像素尺寸的大小和總感光面積計算岀抽樣截止頻率，同時也可計算出o光和e光分開的距離。改變入射光束將會形成差頻的目標頻率，達到減弱或消除低頻干擾條紋，特別是彩色CCD出現(xiàn)的偽彩色干擾條紋的目的。
光學低通濾波器的工作原理，如圖2所示。


圖2 光線通過石英晶體后的傳播方向
由圖可知，入射光和光軸所形成的角度為θ，尋常光線的折射率為no，異常光線的折射率為ne，尋常光線和異常光線分開的距離為d，它與石英晶體薄板厚度T有關，其關系式為

當tanθ=ne/no時，就可求出最大的分開距離。當ne≈no，tan45°=1時，式(1)可簡化為

因此，利用石英晶體的雙折射效果，使成像光束經(jīng)過不同厚度的石英晶體薄板，讓光軸成45°角，使帶有同一目標圖像的信息被分成尋常光o1光束和異常光e1光束，形成相對錯開的像，分開的距離滿足消除一維拍頻干擾條紋分開的距離。經(jīng)過第二片石英晶體薄板后，又將o1光束、e1光束分為Oo2、Oe2光束和eo2、ee2光束。這樣，通過晶體濾波片后，原來目標包含的空間頻率的光束（該頻率下的目標像有可能與CCD陣列水平方向或垂直方向的空間頻率疊加產(chǎn)生差拍的頻率，這個頻率剛好是在圖像低頻范圍內，使所成的像產(chǎn)生干擾條紋的頻率）會產(chǎn)生分離，使頻率發(fā)生小量變化。分離的尋常光和異常光光強會減少一半。
當分開距離d與條紋寬度相等時，光強為零；當條紋寬度比分開距離大時，已經(jīng)變成幾乎不受其影響的低通濾波器。
由此可知，首先只要計算出CCD攝像機的總的頻寬和奈奎斯特極限頻率，然后計算出拍頻現(xiàn)象的頻寬并換算成空間距離，就可求得石英晶體薄板滿足上述頻率微小頻移的厚度T。加入這樣一組晶片，雖然不會增加高頻成分，分辨率極限值不會提高，而CCD光敏面的光照度還會減弱，但可達到消除干擾條紋的目的。當用彩色CCD攝像機拍攝彩色條紋或網(wǎng)格狀目標景物時，不僅可達到消除偽彩色干擾條紋的影響，而且還能提高CCD視頻圖像視覺清晰度。

三、使用光學低通濾波器應注意的問題