光学低通滤波器初探

　　电子滤波器(以下简称滤波器)是一种具有信号处理功能的电子电路。顾名思义，滤波器的作用是对输入信号进行有选择地过滤。滤波器的种类很多，按照电子电路的类型，滤波器有模拟、数字之分；按照频率传递特性，滤波器可分为低通高通、带通、带阻等类型；按照输入输出特性，又有线性与非线性两大类，其中前者最为常见。

　　在模拟／数字转换操作所需的采样、量化、编码三个环节中，采样是首要步骤，它要将输入信号在时间轴上离散化。采样的过程须满足乃奈奎斯特―香农(Nyquist-Shannon)采样定理的要求，即为了从其采样准确还原出某时间连续的基带信号，必须保证该信号的带宽是受限的，且采样频率必须高于该信号带宽的2倍。为此，实际的模／数转换电路都要在采样前设置低通滤波器，以滤除高于奈奎斯特频率(采样频率的1/2)的成分。

　　目前，数字照相机、摄像机等光电成像系统的核心多为固态影像传感器，被摄物体通过光学镜头所成的像通过影像传感器的光电管转变为电荷，进而变为可供后续处理的电压信号。固态影像传感器的本质为枚集成电路，其上分布着众多称为“像素”的感光单元，实际上，像素使影像在空间发生离散，而这本身就是种采样。同理，当被抽样图像的空间频率超过系统的奈奎斯特极限频率(取样频率的1／2)时，将造成频谱混叠，在图像上则反应为一种干扰条纹――莫尔纹。为此，可从两个方面入手，一是增加影像传感器的像素数量，这相当于提高采样频率；二是降低被采样信号的最高频率，例如，减小物距、增大焦距皆可降低被摄物体所成光像的空间频率，但在传感器前加装光学低通滤波器(OLPF)无疑是最佳方案。

　　光学低通滤波器多由若干块石英晶体薄板构成，置于影像传感器前方。利用石英晶体的双折射特性，成像光束经过不同厚度的石英晶体薄板，就可使带有同一目标图像的信息被分成寻常光束01和异常光束el，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oo2、oe2光束和eo2、ee2光束。通过晶体滤波片后，原来目标包含的空间频率的光束会产生分离，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，几乎不受其影响，体现了低通滤波器的特点。由此可知，凭传感器有效感光面积与有效像素数，即可求得所需QLPF的石英晶体薄板的厚度T。

　　由于固态影像传感器对红外线等不可见光也较敏感，一般在OLPF晶片中间加上片只通过可见光的红外截止滤光片，如日本厂商广泛采用的可吸收红外线的磷酸玻璃，因此，实际应用的晶体光学滤波器由一组低通滤波器及一片红外截止滤光片组成。

　　综上所述，光学低通滤波器可以有效地限制图像的空间频率，使取样满足奈奎斯特条件，达到消除频谱混叠，改善重建图像质量的目的。针对不同应用，需选用不同厚度、片数，角度的晶片组合的OLPF设计，以提高成像质量。本文来自《中国光学》杂志