像增強器在高速圖像采集中的應(yīng)用分析*

牛 瀅，趙冬娥* ，王占選

(1．中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051;2．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051)

NIU Ying1，2，ZHAO Dong’e1，2* ，WANGZhanxuan1，2

(1．National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China;2．Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

在研究高速運動的過程中，高速攝影是一種有效的記錄測試方法，并且在國防科技研究領(lǐng)域，爆炸、燃燒、穿甲、彈道、飛行姿態(tài)等研究中都獲得了廣泛應(yīng)用［1］。為了能保證目標圖像的清晰度，拍攝時，高速相機需要在極短的時間內(nèi)完成曝光。但是通常情況下，因外界環(huán)境光通量較少無法滿足這個要求，因此高速成像系統(tǒng)需要通過添加輔助照明光源進行圖像的采集。由于對光源脈沖寬度和光強等參數(shù)的特殊要求，同時為解決常規(guī)成像方法成本高、獲取的圖像效果欠佳以及攜帶不夠方便等問題，前人提出了解決方案，即通過在相機前增加像增強器的方法來代替輔助照明光源。但由于像增強器工作條件的改變會直接影響系統(tǒng)的工作情況，為此，本文以9350EOS－3－PRO三代像增強器和MC1362高速相機為實驗平臺，在已搭建好的高速圖像采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對影響像增強器工作的可能因素進行了研究與分析。

1 像增強器工作原理及特性

1．1 工作原理

像增強器是微光探測器的一種，屬于探測二維弱光圖像的光電器件［2］，由安裝在高真空管殼內(nèi)的光電陰極﹑電子光學(xué)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成。像增強器整個工作過程描述為以下3部分［3］，如圖1所示。

1．1．1 光子—電子轉(zhuǎn)換

在微弱光照射下，光敏材料制成的光電陰極，發(fā)生光電效應(yīng)逸出光電子，將輸入的低能輻射圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訄D像。

圖1 像增強器的工作原理

1．1．2 電子加速和聚焦

電子光學(xué)系統(tǒng)主要有:電磁復(fù)合系統(tǒng)和靜電系統(tǒng)。其中，電磁復(fù)合系統(tǒng)靠電場的加速和磁場的聚焦作用，靜電系統(tǒng)靠靜電場的加速和聚焦作用。通過電子光學(xué)系統(tǒng)后，光電陰極逸出的光電子將被加速聚焦到熒光屏上［4］。

1．1．3 電子—光子轉(zhuǎn)換

高速電子轟擊熒光屏后，光電子的動能通過熒光屏上的發(fā)光材料轉(zhuǎn)換成光能，完成了電子—光子的轉(zhuǎn)換，從而最初微弱的光信號變?yōu)檩^強的可見光信號。

1．2 像增強器的輸入輸出特性

像增強器的輸入輸出特性如圖2所示，隨著入射照度的變化，其輸出亮度也在變化［5］。A、D兩點的橫坐標分別對應(yīng)像增強器入射照度的兩個臨界值，入射照度小于A點時輸出亮度很小且變化很小;入射照度高于D點時輸出亮度趨于飽和，再無明顯變化;入射照度在A和D之間時像增強器近似處于線性工作狀態(tài)。由圖2可知，B、C兩點的位置靠近工作臨界點，像增強器輸出信號容易產(chǎn)生截止失真或者飽和失真，入射照度是影響像增強器改善成像效果的關(guān)鍵因素。

圖2 像增強器輸入和輸出關(guān)系曲線

2 高速圖像采集系統(tǒng)

實驗中所用的9350EOS－3－PRO三代像增強器的接口是佳能EF卡口［6］，而MC1362高速相機是尼康F卡口，參數(shù)見表1。為了使像增強器與高速相機能夠連接以便正常工作，為像增強器配備了供電模塊，并利用solidworks自行制作了佳能－尼康轉(zhuǎn)接口模塊。

表1 卡口參數(shù)表

接口轉(zhuǎn)換模塊與像增強器連接圖如圖3(a)，高速圖像采集系統(tǒng)實物圖如圖3(b)所示:①佳能－尼康轉(zhuǎn)接口，②像增強器供電模塊，③像增強器，④1362高速相機，⑤鏡頭。由表1可知F卡口的法蘭距(卡口到相機成像傳感器的焦平面之間的距離)比EF卡口的長2．36mm，同時由于自行加工的轉(zhuǎn)接口有一定厚度，如果不進行處理系統(tǒng)會因為焦距不匹配無法獲得清晰圖像。像增強器本身沒有焦距調(diào)節(jié)裝置，最終通過釋放像增強器上的透鏡組螺紋鎖緊頂絲來微調(diào)其內(nèi)部透鏡組位置，多次反復(fù)試驗，直到獲取清晰圖像。

圖3 像增強器接口轉(zhuǎn)換模塊與系統(tǒng)連接圖

3 影響像增強器工作的可能因素分析

3．1 電壓對像增強器的影響

由于1362CMOS高速相機本身不可給像增強器供電，則必須外接電源為其供電，這樣就需要測試不同電壓對像增強器拍攝圖像有無影響。圖4為直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的原理圖，利用它來為像增強器兩端供電。圖4中U0為直流可調(diào)電源，D為4．5 V穩(wěn)壓管，U為像增強器供電觸點間電壓即 A、B兩端電壓［7］。

圖4 直流可調(diào)穩(wěn)壓電源

像增強器正常工作電壓4．2 V，工作電流25 mA，通過直流可調(diào)電源調(diào)節(jié)像增強器兩端電壓U，分別拍攝在不同電壓下(2．9 V到4．2 V增加)，通過像增強器拍攝圖像。在室內(nèi)照度為4．85 lx，相機光圈4，幅率110 frame/s，進行拍攝，選取積分時間9 000 μs一組數(shù)據(jù)進行處理［8］，如表2所示。

表2 電壓－平均灰度關(guān)系表

對表2中數(shù)據(jù)進行可視化，得到關(guān)系曲線圖如圖5所示，平均灰度變化平緩，差異不大，可見，電壓U在2．98 V～4．22 V變化對圖像的平均灰度影響很小，圖6和圖7分別是U為2．98 V和4．22 V時的灰度直方圖，其中橫軸表示灰度值，縱軸表示頻率。

圖5 電壓－平均灰度關(guān)系曲線

圖6 U=2．98 V的灰度直方圖

圖7 U=2．98 V的灰度直方圖

3．2 照度對像增強器的影響

在黑暗環(huán)境下利用添加像增強器的攝像模塊拍攝同一靜物，照度計測量環(huán)境照度，在不同的積分時間下拍攝圖像，對圖像進行處理，得到灰度均值，結(jié)果如表3所示。

對表3中數(shù)據(jù)進行可視化，得到關(guān)系曲線圖如圖9所示，可見平均灰度在照度位于0．10 lx處出現(xiàn)了明顯的增長，在照度大于0．10 lx后，各條曲線變化趨勢較平緩，平均灰度差異不大。另外，隨著積分時間的增長，平均灰度明顯增大，是由積分時間越長，電荷積累時間越長造成的。

圖8 照度－積分時間－平均灰度關(guān)系曲線

表3 照度－積分時間－平均灰度關(guān)系表

4 結(jié)論

本文在利用9350EOS－3－PRO三代像增強器和MC1362高速相機搭建的高速圖像采集系統(tǒng)的實驗平臺基礎(chǔ)上，提出了兩個可能影響像增強器工作的外部因素:電壓及照度，并針對這兩個方面進行了實驗和分析。結(jié)果表明，電壓在2．98 V～4．22 V之間變化時，對圖像的平均灰度影響很小，也就是在這個電壓區(qū)間像增強器能夠正常工作。同時，通過實驗數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，基于像增強器的高速圖像采集系統(tǒng)只有在低照度環(huán)境下能夠改善成像效果，但在較高照度環(huán)境下容易產(chǎn)生飽和，其工作狀態(tài)受到環(huán)境照度的很大制約。該結(jié)論可為今后的進一步研究提供理論依據(jù)。

［1］ 楊成祥，郭世明，何承基．數(shù)字式相機在靶場中的測試研究［J］．探測與控制學(xué)報，2003，25(2):9 －11．

［2］ 白雪松．微光像增強器高速脈沖門控電源技術(shù)的研究［D］．長春:長春理工大學(xué)，2009．

［3］ 王勇．微光像增強器的分辨率研究［D］．南京:南京理工大學(xué)，2011．

［4］ 王國政，李野，高延軍，等．硅微通道板像增強器的研究［J］．電子器件，2008，31(1):308 －311．

［5］ 拜曉峰，蘇俊宏，石峰，等．照度對測量三代微光像增強器MTF的影響分析［J］．應(yīng)用光學(xué)，2010，31(2):297－300．

［6］ AstroScope Night Vision Module for Canon EOS dSLR Cameras．EC －NV_CanonSLR －v09［Z］．2010:9－10．

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［8］ 張德豐．MATLAB數(shù)值分析［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2012:97－105．