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英研究人员开发出用于高位速率光学系统的滤波器
发布时间:2007-09-16    来源:网络   阅读次数:657 分享到:

英国南安普敦大学光电子研究中心的研究人员已经开发出一种能够用于高位速率光学系统的滤波器,这种滤波器可以消除信号通过长距离传输时引起的噪声。科学家们称,这种技术具有完全消除下一代光网络中的噪声以及产生更清晰的信号的潜力。

他们认为,这种先进技术有助于满足目前将光学信号转换成电子信号以进行进一步处理的要求,并表示,这种滤波器可以实现效率更高的传输和控制信号的方法,这是因为传输速度不受电子开关引起的较低速度的限制。滤波器应用已经刚刚在丹麦哥本哈根的COM中心的160Gbps测试台上进行过测试。ORC已经对这种滤波器研究了相当长的时间。这些滤波器是采用超结构光纤布拉格光栅技术加工的。

“超结构光纤布拉格光栅滤波器与备选解决方案相比具有诸多优势,”ORC研究小组成员Periklis Petropoulos博士表示,“这些滤波器更紧凑,我们可以大批量生产这种滤波器而不需要进行特殊的位相掩膜,从而提高了成本效益。此外,我们的滤波器对偏振不敏感,这意味着它们更容易应用于真实系统。”

 
滤波器其实就是选频电路,可允许部分频率的信号顺利通过,而另一部分频率的信号受到较大抑制。信号能通过的频率范围称通频带/通带;受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称阻带;通带和阻带间的分界频率称截止频率。理论上,在通带内电压增益为常数,阻带内的电压增益为零;实际上,通带和阻带间存在一定频率范围的过渡带。

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的过滤。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,以滤除高于乃奎斯特频率(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一枚集成电路,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,而这本身就是一种采样。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),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象的信息被分成寻常光束o1和异常光束e1,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OLPF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晶片中间加上一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。

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