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。

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。