用光学低通滤波器（OLPF）技术提高安防视频监控系统摄像机的取像质量

一、光学低通滤波器的作用

由于CCD是一种离散像素的光电成像器件，根据奈奎斯特定理，一个图像传感器能够分辨的最高空间频率等于它的空间采样频率的一半，这个频率就称为奈奎斯特极限频率。在用CCD摄像机获取目标图像信息时，当抽样图像超过系统的奈奎斯特极限频率时，在图像传感器上，高频成分将被反射到基本频带中，造成所谓的纹波效应或莫尔效应，使图像产生周期频谱交迭混淆或称为拍频现象。假设CCD的抽样频率为15MHz，在图像信号为10MHz时，混叠频率分量为15MHz-10MHz=5MHz；在图像信号为9MHz处，混叠频率分量为15MHz-9MHz=6MHz。这两项混叠频率分量经电路低通滤波后都是无法滤掉的，并与有用图像信号一样被输岀，如在所观测的波形中在9MHz和10MHz频带处叠加的5MHz和6MHz信号成分。在7MHz信号上有明显的低频差拍存在，差拍频率约1MHz。这些混叠的信号将影响图像清晰度，甚至出现彩色条纹干扰。由于CCD离散像素受到采样频率的限制，以及由于芯片总的感光面积较小而受到二维孔径光阑的影响，所以又产生了一些新的频谱问题，它直接影响CCD摄像机的成像清晰度和分辨能力。
CCD图像传感器在垂直和水平方向传输光学信息都是离散的取样方式，这是因为它的光敏单元在水平方向也是离散的。根据取样定理可知，CCD输出信号的频谱如图1所示。


图1 取样脉冲宽度对取样信号频谱的影响

取样后的信号频谱分布和幅度变化为
式中，τ_s为取样脉冲宽度，即一个感光单元的宽度；T_s为取样周期，即一个像素的宽度（含两侧的不感光部分）。
当n=T_s/T_s时，谱线包络达到第一个零点，这是孔径光阑效应的表现。若高频信号幅度下降，可适当选择T_s，使在f_s/2处的频谱幅度下降得小一些，使频谱混叠（见图中的阴影部分）部分减小。T_s越小，频谱幅度下降越缓慢，混叠部分增大。T_s增大，频谱幅度下降加快，频谱混叠部分减小。由此可见，在CCD中感光单元的宽度和像素宽度有个最佳比例，即像素的尺寸和像素的密度，以及像素的数量都是决定CCD分辨率的主要因素。在图像上反映出来的频谱混叠会引起低频干扰条纹，它对CCD摄像机所拍摄的图像水平方向的清晰度有很大影响。因此，必须采用予处理前置滤波技术，降低CCD光敏面上光学图像的频带宽度，以减少频谱混淆，即采用光学低通滤波器。
光学低通滤波器(Optical Low Pass Filter，OLPF)实际是一低通滤波的石英作的晶片。自从1988年日本富士公司与东芝公司合作推出第一台数位静态相机(Digital Still Camera，DSC)起，才将OLPF带入这发展迅速的数位世界中。这样，从数码相机(DSC)、数位摄像机(DVC)到影像电话(Video Phone)，以及行动电话等，所有和影像有关的产品都要使用OLPF来消除上述的杂讯干扰。
由于CCD等固体图像传感器读取影像均采用这种非连续性取像方式，所以在拍摄细条纹(高频)时肯定会产生不必要的噪声。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与CMOS图像传感器在规格上有些差异，为针对不同的型号，以及同时兼顾不同方向所产生的噪声，需用不同厚度、片数、角度组合的OLPF的设计，以提高取像品质。

二、光学低通滤波器的工作原理

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。目标图像信息的光束经过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岀抽样截止频率，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，特别是彩色CCD出现的伪彩色干扰条纹的目的。
光学低通滤波器的工作原理，如图2所示。


图2 光线通过石英晶体后的传播方向
由图可知，入射光和光轴所形成的角度为θ，寻常光线的折射率为n_o，异常光线的折射率为n_e，寻常光线和异常光线分开的距离为d，它与石英晶体薄板厚度T有关，其关系式为

当tanθ=n_e/n_o时，就可求出最大的分开距离。当n_e≈n_o，tan45°=1时，式(1)可简化为

因此，利用石英晶体的双折射效果，使成像光束经过不同厚度的石英晶体薄板，让光轴成45°角，使带有同一目标图像的信息被分成寻常光o₁光束和异常光e₁光束，形成相对错开的像，分开的距离满足消除一维拍频干扰条纹分开的距离。经过第二片石英晶体薄板后，又将o₁光束、e₁光束分为O_o2、O_e2光束和e_o2、e_e2光束。这样，通过晶体滤波片后，原来目标包含的空间频率的光束（该频率下的目标像有可能与CCD阵列水平方向或垂直方向的空间频率叠加产生差拍的频率，这个频率刚好是在图像低频范围内，使所成的像产生干扰条纹的频率）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减少一半。
当分开距离d与条纹宽度相等时，光强为零；当条纹宽度比分开距离大时，已经变成几乎不受其影响的低通滤波器。
由此可知，首先只要计算出CCD摄像机的总的频宽和奈奎斯特极限频率，然后计算出拍频现象的频宽并换算成空间距离，就可求得石英晶体薄板满足上述频率微小频移的厚度T。加入这样一组晶片，虽然不会增加高频成分，分辨率极限值不会提高，而CCD光敏面的光照度还会减弱，但可达到消除干扰条纹的目的。当用彩色CCD摄像机拍摄彩色条纹或网格状目标景物时，不仅可达到消除伪彩色干扰条纹的影响，而且还能提高CCD视频图像视觉清晰度。

三、使用光学低通滤波器应注意的问题

提请注意的是，OLPF使用不当时会发生下列问题。
（1）当镜头的解析度高于CCD图像传感器的解析度时，在看到较高频（超过CCD解析度的部分）的影像时，画面上将会产生噪声，使用适当的OLPF就能将高频所产生的噪声消除；若使用不适当的OLPF，则会造成解析度降低或是噪声太多。
（2）当镜头的解析度不够，则CCD图像传感器的解像力就完全无法发挥，此时OLPF的功能将会大减，解析度有可能会降低。
一般，客户重视解析度，则采用较薄的OLPF晶片；若客户重视消除噪声的效果，则采用较厚的OLPF晶片；对于高档影像产品，可采用四片式；中档产品则可采用二片（或三片）式；低档产品则为单片式。

四、红外截止滤光片的作用

在使用CCD或CMOS图像传感器拍摄彩色景物时，由于它们对颜色的反应与人眼不同，所以必须将它们能检测到而人眼无法检测的红外线部分除去，同时调整可见光范围内对颜色的反应，使影像呈现的色彩符合人眼的感觉。因此，一般在OLPF晶片中间加上一片只通过可见光的红外截止滤光片磷酸玻璃（吸收式），能获得极佳的效果（日本厂商广泛使用）。因此，使用红外截止滤光片可大大提高图像质量。由于石英的折射率与空气不同，在界面上会产生反射而减低入射光的强度，为降低反射所造成的损失，一般要在OLPF晶片上镀上抗反射膜（AR Coating）以提高光的穿透率，从而提高取像品质。