像增強(qiáng)器亮度增益檢測技術(shù)研究

劉 彬， 胡文剛， 伍錫山， 索文凱

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 電子與光學(xué)工程系， 河北 石家莊 050003)

0 引 言

像增強(qiáng)器是夜視技術(shù)的重要組成部分， 夜視器材性能和價(jià)格很大一部分是取決于像增強(qiáng)器的性能和價(jià)格. 高性能的像增強(qiáng)器是夜視設(shè)備優(yōu)良與否的決定性因素. 作為衡量增強(qiáng)器的重要尺度， 亮度增益對成像有重大影響. 亮度增益是用于描述像管性能的重要參數(shù)， 并且與入射圖像的照度有關(guān)[1]. 亮度增益在像增強(qiáng)器出廠時(shí)已經(jīng)標(biāo)定好， 為了可以在使用過程中檢測亮度增益是否出現(xiàn)較大的變化， 我們需要一個(gè)系統(tǒng)對其進(jìn)行檢測. 現(xiàn)在大部分檢測系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)廠家， 南京理工大學(xué)曾制作了一個(gè)亮度增益檢測系統(tǒng)， 可以較好地實(shí)現(xiàn)亮度增益的檢測， 北方夜視等像管生產(chǎn)廠家也有自己的檢測設(shè)備[2-4]. 我們設(shè)計(jì)一個(gè)體積相對較小、 便于移動(dòng)的微光像增強(qiáng)器檢測系統(tǒng)， 利用像增強(qiáng)檢測系統(tǒng)對亮度增益測量進(jìn)行檢驗(yàn). 使用像增強(qiáng)器檢測系統(tǒng)對XX1470型像管進(jìn)行分析測量， 檢驗(yàn)像增強(qiáng)器監(jiān)測系統(tǒng)對亮度增益測量的準(zhǔn)確性和一致性， 同時(shí)對亮度增益檢測進(jìn)行理論分析.

1 亮度增益測試?yán)碚?/h2>

增益是電子學(xué)的一個(gè)概念， 廣義上來說， 是一個(gè)系統(tǒng)輸出信號與輸入信號的比率. 像增強(qiáng)器的亮度增益通用的定義為：像增強(qiáng)器在標(biāo)準(zhǔn)光源照射下， 熒光屏上的光出射度與入射到陰極面上的照度之比[5-7]. 即

式中：GL為亮度增益；M為熒光屏上的光出射度；EV為陰極面上的照度.

熒光屏上光出射度在測量時(shí)用亮度差來表示， 亮度增益的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：GL為亮度增益；L1為有光輸入時(shí)， 熒光屏上的法向亮度；L2為無光輸入時(shí)， 熒光屏上的法向亮度；EV為陰極面上的照度.

根據(jù)上面的原理設(shè)計(jì)像增強(qiáng)器檢測系統(tǒng)， 其原理如圖 1 所示， 光源發(fā)出的光經(jīng)衰減后通過被測像管， 信號采集單元分別采集有光照條件下和無光照條件下測試器件的輸出光亮度， 將采集到的信號和陰極面上的照度信號一起送到信息處理單元[8]， 經(jīng)過處理便可得到被測像增強(qiáng)器的亮度增益.

圖 1 像增強(qiáng)器檢測系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the image intensifier detection system

如圖 1， 本次實(shí)驗(yàn)所用的測量儀器為微光像增強(qiáng)器檢測系統(tǒng)， 主要由微光目標(biāo)發(fā)生器、 像增強(qiáng)器夾具、 信號采集單元、 信息處理單元、 顯示單元5部分組成. 該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對多種型號的像增強(qiáng)器亮度增益的檢測. 微光目標(biāo)發(fā)生器采用LED光源經(jīng)衰減片衰減， 再經(jīng)過可調(diào)節(jié)衰減器， 將入射光調(diào)到合適的照度. 此次實(shí)驗(yàn)， 照度調(diào)節(jié)有3個(gè)檔位， 分別是衰減度T=1,T=10%,T=1%， 信號采集由光電倍增管完成[9,10]. 像增強(qiáng)器夾具主要是用來固定像增強(qiáng)器.
圖 2 是系統(tǒng)實(shí)物圖的俯視圖.

圖 2 像增強(qiáng)器檢測系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Image intensifier detection system physical map

2 試驗(yàn)和結(jié)果

我們進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)， 分別是測量儀器開機(jī)后進(jìn)行1 h的連續(xù)測量， 對像增強(qiáng)器維護(hù)0.5 h后進(jìn)行10次測量和不同照度下的測量， 目的是檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對亮度增益測量結(jié)果的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性.

第1組實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行連續(xù)測量， 時(shí)間間隔3 min， 測量時(shí)間持續(xù)1 h. 測量結(jié)果如圖 3 所示， 其中*線是實(shí)際測量的數(shù)據(jù)， 并直接相連， 直線線條是對測量結(jié)果進(jìn)行歸一化處理后的結(jié)果.
圖 4 是系統(tǒng)正在進(jìn)行亮度增益測量的工作界面.

圖 3 亮度增益測量結(jié)果Fig.3 Brightness gain measurement results

第2組實(shí)驗(yàn)是對像增強(qiáng)器維護(hù)0.5 h后進(jìn)行的測量. 測量結(jié)果如表 1 所示.

表 1 像管3次測量結(jié)果Tab.1 Three measurements of the image tube

圖 4 亮度增益檢測Fig.4 Brightness gain detection

第3組實(shí)驗(yàn)是對不同照度條件下測量亮度增益. 測量結(jié)果如表 2 所示.

表 2 不同照度下亮度增益測量結(jié)果Tab.2 Luminance gain measurement results under different illumination

實(shí)驗(yàn)中像增強(qiáng)器正常工作所需的2.65 V直流電壓由設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電路提供. 光源開關(guān)控制是通過繼電器完成的， 進(jìn)行亮度的測量時(shí)， 有光入射時(shí)的照度和無光入射時(shí)的照度都由CCD進(jìn)行采集， 然后通過信號處理模塊進(jìn)行處理， 最終結(jié)果將在嵌入式顯示屏上顯示.

照度的衰減通過固定衰減片和可變衰減共同實(shí)現(xiàn). 固定衰減是在光源出射孔放置3個(gè)中性衰減片， 衰減率為1%. 可變衰減是通過一個(gè)轉(zhuǎn)輪控制來實(shí)現(xiàn)的， 在轉(zhuǎn)輪控制的一端有3個(gè)孔的圓盤， 在其中兩個(gè)孔安裝上衰減片， 規(guī)格分別是T=10%和T=1%， 剩下的一個(gè)為空， 相當(dāng)于光沒有進(jìn)行衰減直接照射.

3 分析與討論

實(shí)驗(yàn)中， 由圖 1 可以看出， 亮度增益測量結(jié)果隨時(shí)間的變化而變化， 大體趨勢是前15 min為上升， 亮度增益逐漸增大. 15 min， 亮度增益測量結(jié)果基本穩(wěn)定. 30 min 后， 結(jié)果更加平穩(wěn).

像增強(qiáng)器實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)是通過光電轉(zhuǎn)換、 能量增強(qiáng)以及發(fā)光顯示3個(gè)過程完成的. 利用外光電效應(yīng)， 像增強(qiáng)器即像管的陰極將輸入的輻射信息轉(zhuǎn)換為電子信息， 這些輻射信息以量子形態(tài)入射進(jìn)入光電發(fā)射體， 從而激發(fā)光電發(fā)射體內(nèi)的電子， 形成的光電子流密度越大， 入射輻射通量密度越大， 兩者之間成正比， 只有處于飽和狀態(tài)下才成立. 在光電轉(zhuǎn)換過程中， 形成的光電子流一開始并未達(dá)到飽和， 這需要一個(gè)過程. 發(fā)光顯示一般是通過熒光屏來實(shí)現(xiàn)的， 我們所使用的熒光屏一般是由利用晶態(tài)磷光體特性制成的， 晶態(tài)磷光體受到電子轟擊會(huì)發(fā)光， 在這個(gè)發(fā)光過程中受激電子不是全部發(fā)射出去， 有一部分被局部能級俘獲， 這樣就會(huì)產(chǎn)生發(fā)光延遲， 因此造成熒光屏發(fā)光強(qiáng)度增長過程會(huì)有滯后， 不能立即達(dá)到額定值. 簡單來說， 像增強(qiáng)器是一個(gè)真空光電器件， 其工作過程與電子受激輻射有關(guān)， 使電子受激輻射達(dá)到一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)， 需要一定時(shí)間.

實(shí)驗(yàn)2也驗(yàn)證了這個(gè)問題， 對像增強(qiáng)器進(jìn)行30 min的通電維護(hù)后， 像增強(qiáng)器基本達(dá)到了穩(wěn)定的工作狀態(tài)， 對其進(jìn)行的亮度增益測量結(jié)果也比較穩(wěn)定.

實(shí)驗(yàn)3表明了光的照度和亮度增益有關(guān)， 亮度增益測量一般都是在10-5lx下進(jìn)行的. 在照度發(fā)生變化時(shí)， 亮度增益也隨之變化. 我們測量在10-4lx下沒有顯示結(jié)果， 主要是在設(shè)計(jì)中我們設(shè)置了測量限制， 所以在10-4lx下沒有測量結(jié)果. 在10-6lx下， 亮度增益明顯變小， 說明入射照度小， 亮度增益也隨之變小.

4 結(jié)束語

綜上所述， 所研制的像增強(qiáng)器亮度增益測試系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地測量像增強(qiáng)器的亮度增益， 重復(fù)測量結(jié)果一致性比較好， 能夠滿足裝備日常檢測和維護(hù). 在進(jìn)行亮度增益測試時(shí)， 對不經(jīng)常使用的像增強(qiáng)器進(jìn)行測量時(shí)， 進(jìn)行0.5 h的通電維護(hù)后再進(jìn)行測量， 既可以使測量結(jié)果更為精確， 又使像增強(qiáng)器保持良好的工作狀態(tài). 我們在設(shè)計(jì)中使用的LED光源既可以方便更換， 同時(shí)可以減少長時(shí)間使用造成光源色溫升高帶來的影響.