CMOS傳感器與光學(xué)濾光片的雙向發(fā)展

2014-08-09 admin1

   CMOS傳感器與光學(xué)濾光片的雙向發(fā)展

(圖源網(wǎng)絡(luò),侵刪)

   一、CMOS發(fā)展的未來

  從兩種類型的傳感器類型來看,CMOS在不改造制造流水線的情況下就能克服高像素制造工藝的困難,而且像素的提升也要比CCD來得稍微容易些。生產(chǎn)流水線正是CCD制造的軟肋,隨著CCD尺寸的增加,其生產(chǎn)線也往往要做相應(yīng)的調(diào)整,因此這也是高像素CCD國際市場千顆售價高居不下的原因?;旧显贑MOS方面像素數(shù)的提升與影響傳感器尺寸的增加是相輔相成的,不至于出現(xiàn)此時CCD中出現(xiàn)的一幕達800萬像素還在使用500萬像素的2/3英寸框架這種啃老本的情況,故寬容度、信噪比等各方面都比小尺寸的CCD來的優(yōu)越,這也正是800萬像素CCD至今無法運用到DSLR機身中的原因之一。

 

  開發(fā)使用CMOS當初只是佳能公司為了不受制于人的一個緩解之計,現(xiàn)在看來CMOS真的演繹了丑小鴨變白天鵝的神話。縱觀目前安防市場上網(wǎng)絡(luò)攝像機特別是高清網(wǎng)絡(luò)攝像機,絕大部分都是采用CMOS的機型,像素數(shù)基本分為30萬、130萬、200萬及500萬象素。

 

  由于CMOS品質(zhì)的不斷提升,生產(chǎn)成本的大幅度下降,CMOS已經(jīng)占了半壁江山,更有取代CCD之勢。

 

光學(xué)濾光片


二、濾光片的作用

  鍍膜和藍玻璃的作用

  紅外發(fā)射二級管--紅外燈是由紅外輻射效率高的材料(常用砷化鎵)制成PN結(jié),外加正向偏壓向PN結(jié)注入電流激發(fā)紅外光。光譜功率分布為中心波長830~950nm,半峰帶寬約40nm左右,它是窄帶分布于近紅外光譜波段范圍內(nèi),為普通CCD和CMOS可感受的范圍。這樣,不論在白天還是在夜晚,都能進行實時監(jiān)控。由于任何在絕對零度(-273℃)以上的物體都對外發(fā)射紅外線,也就是說在白天,CCD或CMOS同時感應(yīng)到可見光和紅外光,根據(jù)光的折射原理和定律可得出:波長越長,折射率越?。徊ㄩL越短,折射率越大。因此,當這些光線同時進入攝像機鏡頭,被鏡頭透鏡折射后,可見光和紅外光就會在不同的靶面成象,而可見光的成像為彩色圖像、紅外光的成像為灰度圖像,當我們將可見光所成圖像調(diào)試好,也就是所謂鏡頭后焦調(diào)整和聚焦,這時紅外光就會在這個靶面形成虛像,從而影響圖象的顏色和質(zhì)量。對此,我們可以用鍍膜的方法或藍玻璃來濾除紅外光,還原物體的真實顏色,從而解決圖像色彩失真的問題。

 

  鍍膜分真空鍍膜和化學(xué)鍍膜兩種,化學(xué)鍍膜是將石英片侵入溶劑中加以電鍍,成本低但鍍膜厚度不均勻且容易脫落,真空鍍膜是用真空蒸鍍法,鍍膜厚度均勻且不容易脫落,但成本較高。這兩種我們都稱之為IRCoating。IRCoating能濾除特定波長(如650nm以上)的光,能夠滿足一般要求不高的CCD攝像機的要求;而對于不同品牌、規(guī)格、型號的CMOS,由于存在紅外半峰帶寬的問題,它們感應(yīng)紅外光的條件是不一樣的,因此必須針對每一款產(chǎn)品,鍍與之相適應(yīng)、截止不同波長波段的膜,以達到最佳效果。藍玻璃是用吸收的方式過濾紅外光,可過濾630nm波長以上的光,并且過濾比較徹底;而IRCoating鍍膜是用反射的方式濾掉紅外光,而反射光容易造成干擾,因此,藍玻璃是比較好的選擇,但藍玻璃不能單獨長時間保存和使用,因為在切割、打磨拋光加工過程中,藍玻璃表面物理層被破壞,就會產(chǎn)生析晶(俗稱發(fā)霉),


因此,我們一般常用兩片水晶夾一片藍玻璃,這樣,既解決了藍玻璃析晶,又提高了圖像的清晰度。有時,在實際應(yīng)用中遇到需濾除強光照射的情況,例如汽車大燈(遠光燈)燈光的強光對攝像機CCD具有強烈影響,必須濾除這部分光,才能使強光周圍物體清晰成像。我們可以改變膜系或材料,使強光所在波長范圍的光全部濾除以達到目的,這就是黑玻璃。黑玻璃有透紅外的,也有透紫外的。

 

  另外,濾光片并不是完全透光的,還需要加上所謂的ARCoating的鍍膜,目的是增加透光率,因為光線在透過不同介質(zhì)(比如從空氣進入石英片)時,會產(chǎn)生部分的折射和反射,ARCoating具有抗反射之功能,當加上單面ARCoating后,濾光片會提升3-5%的透光率,如果加上雙面ARCoating鍍膜,濾光片可達到98%以上的透光率,否則只有不到90%的透光率,這對CCD或CMOS的感光度就有很大的影響,也就是說,不用ARCoating就會降低攝像機的感光度,而使用雙面ARCoating,就會使圖像更清晰。同時,ARCoating具有抗氧化之功能和有增加保護膜之功能,濾光片有ARCoating的保護也就不容易起霧了。

 

  水晶的作用與選擇

  眾所周知,CCD和CMOS兩者都是利用矽感光二極管進行光與電轉(zhuǎn)換的圖像傳感器,由一顆顆的感光體(CELL)構(gòu)成,它要求光線最好是直射進來,斜射進來的光會干擾到鄰近感光體,而產(chǎn)生色漂(偽彩),這就需要對光線加以修整。我們利用水晶的物理偏光特性,把射進來的光線,保留直射部分,反射和折射斜射部分,避免斜射光去影響旁邊的感光點。但是,斜射光存在不同的角度,一片水晶只能處理一個方向的斜射光,從理論上來說,不同方向的水晶片疊加的層數(shù)越多,解決色漂(偽彩)的效果就越好。但考慮到實際需求和成本,一般都只用1到3片水晶片來解決水平、垂直和45°;角的色漂(偽彩)問題。也就有所謂“兩片式"、"三片式"濾光片,其中IRCoating膜或藍玻璃用來濾除紅外光,而水晶用來修整光線,在水晶片上還需ARCoating鍍膜,用來增加透光率。

 

       水晶修整光線是物理方式的,而不同CCD的品牌、規(guī)格、型號及不同像素還有N制、P制的不同,水晶的厚度都要配合CCD上感光點而變化,不能錯誤搭配使用。