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CCD摄像机中的光学低通滤波器（OLPF）

　　本文简要叙述了在CCD摄像机中使用的光学低通滤波器的作用、工作原理及其应注意的问题。最后指出，还须加装红外截止滤光片，可以进一步提高图像质量。

一、为何需用光学低通滤波器

　　由于CCD或CMOS固体图像传感器是一种离散像素的光电成象器件，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出，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，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，取样后的信号频谱分布和幅度变化为：

　　上式中，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/τ_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τ_s，使在f_s/2处的频谱幅度下降得小一些，使频谱混叠部分减小。τ_s越小，频谱幅度下降越缓慢，混叠部分增大。τ_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，简称OLPF）实际是一低通滤波的石英作的晶片。1988年日本富士公司与东芝公司合作推出第一台数字静态相机（Digital Still Camera，简称DSC）起，才将OLPF带入这发展迅速的数字世界中。

　　数字影象技术如火箭般飞快地进步，应用的领域也日益宽广，从数码相机（DSC）、数码摄像机（DVC）到可视电话（Video Phone）以及第三代移动电话（3G）等，所有和影象有关的产品都要使用OLPF来消除上述的杂讯（噪音）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象方式，所以在拍摄细条纹（高频）时肯定会产生不必要的杂讯（噪音）。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，为针对不同的型号及同时兼顾不同方向所产生的杂讯（噪音），需用不同厚度、片数、角度组合的OLPF的设计，以提高取象品质。