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光学低通滤光片(OLPF)的设计

发布日期: 2014-06-06  所属分类: 产品应用   浏览:1,232 views

光学低通滤波器 (optical low-pass filter, OLPF) 已广泛应用于高品质数字影像组件上,例如 CCD 或 CMOS 影像感知器,主要功用为抑制影像上之 Moiré 假色条纹 (如图一及图二) 的生成。一般光学低通滤波器可由光学双折射晶体薄板或具有光栅 (grating) 的绕射光学组件制成,但因光栅式 OLPF 之制程困难而少被引用,故目前以具有双折射效应的石英晶体居主流。

Moiré条纹,镜头系统加 OLPF后之MTF变化

双折射光学低通滤波器通常由一片或多片之双折射晶体薄片 (double refraction plate, DRP)、IR-CUT 及 AR 镀膜等所组成,或是以 Schoot 公司之 BG39 或BG40 等蓝玻璃类之 IR-cut 滤光片取代 IR-cut 镀膜。但这些组件中,仅有双折射芯片对光束空间频率有滤通之效果。早期低画素 (30 k 以下) CCD/CMOS 之双折射晶体滤波器 (birefringence low-pass filter, BLF) 中仅含有一片旋转角 45° 之 DRP,但由于像质要求不高,其空间滤波效果已足够,但随着高画素的CCD/CMOS 产出,BLF 中的DRP 已要求至少两片且旋转角须正交。最近,由于晶体薄片之双平面拋光技术的精进,其厚度已可控制在 0.1 – 0.3 mm 左右,目前已有三层 DRP 以上之产品,但因考量产品的良率及成本,市面上的 BLF 产品多半是由两片旋转角正交及一片波片或任一旋转角之 DRP 所组成。由于石英晶体双面拋光的技术改良,使 BLF 厚度与成本皆获得改善,使得 300 万以上画素的 CCD 或 CMOS 感测组件的 Moiré 假色条纹皆能因而改善。

依照空间讯号取样理论,当接近 Nyquist 空间频率取像时,常会发生影像扭曲,并造成 Moiré 假色条纹的生成,为了降低这种影像扭曲,影像的空间频率必须低于 CCD 或 CMOS 组件的空间取像频率。早期的空间低通滤波器是采用单片 DRP (方位角 45° 及旋转角 0°) 的设计,如图三,由于没有正交设计的考量,致使在 Y 轴上光学对比 MTF (modulation transfer function) 并没有调降,此种设计容易在 Y 轴方向有 Moiré 条纹生成。如果改用一组旋转角正交 DRP 的设计,则MTF 同时于 X、Y 轴有调降功能,如此一来,BLF 不会因摆放位置的误差,而在某一方向有较明显的 Moiré 条纹。若进一步使用两组旋转角正交DRP设计 (如图四),将会使 Nyquist 频率附近或较高空间频率信息滤除,但 BLF 之厚度会较前两种设计为厚,且制程上亦较复杂。虽然使用多组正交之 DRP 组成之 BLF 较单片 DRP 者为优,但也降低系统整体的 MTF (如图五)。

DRP 之方位角 θ 与旋转角 φ,两组旋转角正交之DRP设计

在一般三层滤波片的结构上,由一组正交的 DRP 夹附一层波片 (wave-plate),当波片的厚度愈来愈厚时,Nyquist 频率前的 MTF 愈来愈低,但对 Moiré 条纹的抑制效果较好。通常为兼顾低频时的系统对比与 Moiré 条纹的抑制,一般取与正交 DRP 的相同厚度即可。另外,传统使用置中型波片的设计并不能得到最好的抑制效果,如图六,将波片前置与后置对系统都有比较好的效果,但为求旋转对称,未来的 BLF 设计可采用包覆型的波片,其对 Moiré 条纹的抑制有更好的能力。

各式BLF设计之MTF值

波片位置对BLF的MTF 之影响

BLF 的设计主要在决于晶体薄片数及厚度、方位角 θ 及旋转角 φ 等参数。另外,AR 镀膜及 IR-cut 的设置对 BLF 的滤波效果亦有影响。但为了抑制 BLF 之 Moiré 条纹有方向性的生成,BLF 的设计至少应具有一组旋转角正交之 DRP。当然,若使用两组含以上旋转角正交之 DRP,如 −45°,45° 及 0°, 90° 两组,其效果更好。

BLF 中所使用之 DRP,可依制作方便及成本考量调整其方位角 (裁切角) θ,但超过 45° 的 DRP 无法满足 Nyquist 频率下之 MTF 值有极小值之要求,故一般调整建议在 30° 至 45° 之间。在三明治结构中,将置中型波片分成两片包覆在正交 DLP 外,其对 Moiré 条纹更有抑制效果。

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